电力电子变流装置及应用

浅谈电力电子变流装置及应用

摘要：电力电子变流装置是二十世纪兴起的。电力电子变流装置主要是由多种整流电路整合而成。本文详细地阐述了了单相可控整流电路整流的工作原理以及该电路的主要产品smes以及直流输电系统在电力系统中的应用。电力电子变流装置能够使我们的生活更加舒适

关键词：电力电子变流装置、单相可控整流电路、smes、直流输电系统

众所周知，1948年晶体管的发明引起了电子工业革命，半导体器件首先被用于小功率领域，如通信、雷达、电视和计算机等。1958年美国通用电气公司研制成功晶闸管，以晶闸管为主的的电力半导体器件具有反应快、重量轻、体积小、能量消耗低等特点，晶闸管和它的各种派生器件能使电能变换和孔氏从旋转变流机组、离子交换器等庞大设备转而迈入以半导体器件等组成的静止交换器时代。就这样，电力电子技术诞生了。

电力电子变换技术的各种变流装置按其功能不同，课分如下及类：可控整流器、逆变器、斩波器、交流调压器、周波变换器等。可控整流器是把交流电压转换成固定或可调的直流电压。逆变器是把直流电压交换成频率固定或可调的交流电压。斩波器是把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压。交流调压器是把固定或变化的交流电压变换成可调或固定的交流电压。周波变换器是吧固定频率的交流电变换成频率可调的交流电。以晶闸管或功率晶

体管为核心的各种电力电子变换设备的优点有（1）晶闸管或功率晶体管为静止型的电力半导体器件，具有体积小，重量轻、寿命长、可靠性高等优点。因而由它构成的变换装置与旋转变流机组相比，没有旋转机械部分的磨损，无噪声，维护方便。（2）电力电子变流装置功率增益高，只需很小的输入信号，就能控制数百安、数千伏以上的工作电流和电压，即功率增益可高达数万倍以上。（3）控制的动态特性好，晶闸管装置的响应为毫秒级，功率晶体管则为微秒级，快速性好。（4）效率高，节省能源。晶闸管或晶体管工作在开关状态，是理想的无触点开关器件，经济指标好。

1、单向可控整流电路

单向可控整流电路，是将单相交流电经晶闸管开关控制，变成输出电压大小可调的直流电压的电路。在生产中，有大量设备需要可调的直流电源，如直流电动机的调速、电焊、电镀等。

单相半波可控整流电路

单相半波整流电路的优点是只用一个晶闸管。线路简单，调整方便。其缺点是输出电压脉动大，电流的有效值与平均值的比值大，且因变压器只工作半周，造成变压器的容量不能充分利用；又因变压器副边绕组中流过含有直流分量的电波，会引起直流磁化，为使变压器的贴心不饱和，必须增大铁芯的截面积，从而使设备容量大。因此，单相半波可控整流电路只适用于小容量和要求不高的场合使用。

单相桥式全控整流电路

为了克服单相半波可控整流电路的缺点，我们自然想起在二极管整流电路中所采用的单桥式整流电路。用vt1，vt2，vt3，vt4

四个晶闸管分别接在整流桥的四个桥臂上，而整流桥的两个对顶端接交流电源u2和负载，这样就构成了单相桥式全控整流电路（如图1）。

图1

对比单相半波整流电路可见，单相桥式全控整流电路具有整流波形好，变压器无直流磁化、原边和副边绕组利用率高及功率因素高等优点，因此它在中小功率的整流装置我得到广泛应用。

单相桥式半控整流电路

在单相桥式全控整流电路中，我们利用晶闸管来控制导通的时刻和电流流通的途径，在全控桥式电路中，负载同时流过两个晶闸管。但作为整流电路，每个支路只需一只晶闸管就能满足控制要求，而将另一个晶闸管用不可控的大功率硅整流二极管来代替，这样就构成了所谓单桥式半控整流电路（如图2）半控电路在电阻性负载时的工作情况与全控电路完全相同。

图2

单相可控整流电路的主电路和触发控制电路，使用元件少，结构简单，调整容易，但输出电压脉动大，容易造成三相交流电网不平衡，所以单相可控整流装置只用于几千瓦一下的中小容量的设备上。如果负载大，则一般采用三相可控整流电路。

应用

1、超导储能在电力系统中的应用

从储能的角度来看，smes系统在概念上非常简单，其基本原理就是对超导电感线圈通以直流电源从而将能力储存在线圈的磁场中，其储存在超导电感线圈镇南关的能连可表示为

e=1/2li2

e为储存在线圈中的能量；l为线圈电感；i为线圈电流

如果春能线圈是有常规导线绕制而成，那么线圈所春村的磁能将以热的方式损耗在导线的电阻上。由于超导体的直流电阻为零，其电流密度仅受临界值的限制，可比普通导向高两个数量级，所以超导线圈具有很高的储能密度且其储存的能力可永久不衰减，知道需要释放为止。

现代工业生产过程自动化地持续发展使得越来越多的用户对电力的质量提出更高的要求。低劣的电力质量会干扰生产过程、造成生产系统误操作甚至使生产中断。基于smes的动态电压补偿器为瞬间电压扰动对负载的危害问题提供了一个强有力的解决措施。当发生瞬间电压扰动时，smes系统快速吸收或释放能量来补偿电压扰动，使得负载端地电压在故障期间保持正常不间断。同电池等其他动态电压补偿装置相比，基于smes的动态电压补偿器具有效率高、反应速度快、重复率高、对环境污染小一级安全可靠等特点。出了在瞬间的电压扰动期间起动态电压补偿作用外，snes系统还能屏蔽电压波动、频率波动、高次谐波等连续的电网扰动，避免这些扰动影响负荷的正常运行，保证对负荷供电的高质量。另外，对于中工

业及暂态系统用户的非线性负荷、波动和冲击负荷，smes还能起到补偿和隔离作用，是电网的电力质量不受其影响。

2、直流输电技术的应用

在许多环境下，在电力系统中引入直流联络线具有明显的经济和技术上的优点。在某些特定条件下，它甚至可能书输送电能的唯一可行的方式。例如，当被接连的两个交流系统不能同步时，以及当传输距离和陆地或海底电缆的长度太长以致不能稳定地和经济地进行交流输电时，采用直流系统就成为唯一的选择。此时，交流在一个换流站被转换成直流，然后将其输送到第二个换流站，再转换回交流，并被输入另一个电网。

参考文献

[1] 康华光，电子技术基础。第四版.北京：高等教育出版社。1999

[2] 李加升，电子技术。北京：北京理工大学出版社，2007

[3] 王文郁，石玉，李秉象编。晶闸管变流技术应用图集。北京：机械工业出版社，2002

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