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在电能质量治理中的电力电子转换技术-2

发布时间:2016-02-25 点击次数:9808次 来源: 类别:基础知识篇

电能质量治理设备的应用技术是在电力电子转换技术的基础上加上软件控制技术发展起来的,同时有些电力电子器件在电力电子技术的的运用也会产生谐波等电能质量问题(半导体晶体管的非线性特性),所以对电力电子转换基本工作原理的进行了解对学习电能质量知识是非常有必要的。主要的电力电子转换有AC/DC-整流;DC/AC-逆变;AC/AC-变频;DC/DC-斩波等。以下对电力电子技术在部分电能质量治理中的运用及电力电子技术的基本工作原理进行分析。


一、电力电子转换技术的基本工作原理


1、 AC/DC-整流

AC/DC变换是指把交流电压变换成固定或可调的直流电压的过程,被称为整流。这类变换被称称为整流电路。基础拓扑图如下图1所示,波形图如下图2所示。

              

                                                         图1 

                

                                                        图2


 1)整流电路的分类

    1)按组成的电力电子器件可分为不可控、半控、全控三种。

    2)按电路结构可分为桥式电路和零式电路。

    3)按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

    4)按变压器二次侧电流的方向是单向或双向,分为单拍电路和双拍电路。

    我们在电能质量行业中用到的有单相整流和三相桥式整流。


2、DC/AC-逆变

DC/AC变换是指把直流电变换成频率固定或可调的交流电的过程,被称为逆变。这类变换装置通常称为逆变器。基础电路图和波形图如下图3、图4所示。

 

                           图3                                                                    4


1)逆变电路分类

1)按电源性质可分为电压型逆变和电流型逆变,

2)按控制方式可分为方波逆变、PWM型逆变和谐振型(软开关) 逆变,

3)按换相性质可分为靠电网换相的有源逆变和自关断的无源逆变。

4)按照电压相数来分,有单相逆变和三相逆变,按照技术发展,在三相逆变技术中:有二电平逆变电路和三电平逆变电路。

在电能质量行业中,运用得比较广泛的是三电平电压型逆变技术。


3、AC/AC-变频

AC/AC变换是指把一种形式的交流电变换成频率、电压可调或固定的另一种形式的交流电的过程, 只对电压、电流或对电路的通断进行控制而不改变频率的称为电力控制, 改变频率的称为变频控制。变频控制要经过:整流-直流稳压-逆变的整个过程。

基础电路图如下图5,把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中,通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。 波形图如图6所示。


1)交流电力控制电路分类:

1)交流调压电路:在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制,调节输出电压有效值的电路。

2)交流调功电路:以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,改变通态周期数和断态周期数的比,调节输出功率平均值的电路。

3)交流电力电子开关:串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。


2)应用:

1)灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)。

2)异步电动机软起动。

3)异步电动机调速。

4)供用电系统对无功功率的连续调节。

5)在高压小电流或低压大电流直流电源

 

            

                                                       图5

 

                        

                                                          图6


4、DC/DC-斩波

DC/DC变换是指把固定的直流电压(或电流) 变换成可调或恒定的另一种直流电压(或电流)的过程, 被称为斩波。谐振型软开关技术是DC/DC变换的发展方向, 该技术可减小变换器体积、质量, 提高可靠性, 并有效解决开关损耗问题。

直流-直流变流器,它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点,现广泛应用于直流牵引变速拖动中,如由直流电网供电的地铁车辆、城市无轨电车和电动汽车等;直流斩波器还广泛应用于可调整直流开关电源和电池供电的设备中,如通信电源、电子笔记本、计算机、家用电器、远程控制器和手提电话等。

降压斩波电路基础拓扑如如下图a所示(V,为IGBT,  设置了VD为续流二极管,在V关断时给负载中电感电流提供通道。)


1)工作原理:

    1) t=0时刻驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压uo=E,负载电流io按指数曲线上升。

    2)t=t1时控制V关断,二极管VD续流,负载电压uo近似为零,负载电流呈指数曲线下降,通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

              

(图7  降压斩波电路的原理图及波形;a)电路图; b)电流连续时的波形 ;c)电流断续时的波形。)

 

2)斩波电路分类

    1)降压斩波电路

    2)升压斩波电路

    3)升降压斩波电路


5、电力电子转换概述图

      


二、电力电子转换在部分电流质量治理中的运用


在电流质量的治理中,谐波治理、无功补偿以及三相电流不平衡治理的前缘技术大多采用了电力电子转换技术,以下展开分析。


1、电力电子转换技术在谐波治理中的运用

    主动式谐波治理技术是电力电子技术与软件控制技术的运用结合,通过软件分析电网波形得到电网谐波情况,然后通过并联在电网的整流逆变器,逆变出大小和谐波相同,方向和谐波相反的波形。从而达到治理谐波效果。硬件技术理解图如下图所示(电容有平滑波形作用)。  

            

(备注:这种补偿能做到适时补偿,且不增加电网的容性元件,滤波效果好;这种谐波治理方法,效率非常高,从电网获取的能量,全部又逆变回电网中,除了对电力电子器件的控制及指示灯外的能耗外,没有其它能耗。)


2、电力电子转换技术在无功补偿技术中的运用

    主动式无功补偿的原理和谐波治理的类似,通过软件分析电网波形得到无功功率情况,然后通过并联在电网的整流逆变器,逆变出大小和无功电流相同,方向和无功电流相反的波形。硬件技术理解图如下图所示,电容有平滑波形作用。  

           

(备注:对于这种主动式无功补偿方式,可以把红色虚线范围内的治理部分理解成一个无功源,如果负载是感性的,通过控制逆变器输出,形成容性无功源,吸收感性负载产生的感性无功,给负载提供容性无功,形成循环,无需电网再给负载提供无功。)


3、电力电子转换技术在三相电流不平衡矫正技术中的运用

如下图所示,以ABC电流不平衡,B相少5AC相多5A为例。通过软件分析三相的负载电流情况,看每相电流缺多少,多多少,然后通过整流逆变器把多的那些相多出的电流整流逆变到少的那些相(如下图把C相多出来的5A基本电流整流逆变到B相,,电容有平滑波形作用)。  

     

    备注:这种三相电流不平衡治理方式实际上就是实现了电流搬运功能,把多那相的电流搬到少的那相去。

 

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