現(xiàn)代電力電子技術(shù)答卷

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù)答卷y141201 鄭偉東 2013214010221. 簡(jiǎn)述現(xiàn)代電力電子技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)？答：現(xiàn)代電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)量大分支。而電力 電子制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力電子制造技術(shù)核心即為電力電子器 件。1、現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)有：（1）集成化，全控型器件都是由許多單元器件并聯(lián)而成。（2）高頻化，全控化。（3）使用pwm控制方式，pwm已成為電力變化的核心技術(shù)。（4）控制技術(shù)的數(shù)字化與智能化發(fā)展，pic和ipm的應(yīng)用預(yù)示著電力電子技術(shù) 與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已密不可分。（5）高效率與軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，器件高頻化帶來了開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲的增

2、力口，使電路效率下降、電磁干擾增大。為了解決這些問題，提出了軟開關(guān) 技術(shù)。2、電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：（1）電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)：電力電子器件向著高頻大功率、集成化與智能化、新材料方向發(fā)展，如碳 化硅、金剛石有關(guān)資料介紹，與硅材料器件相比，采用金剛石的mosfet, 其功率可提高106數(shù)量級(jí)，頻率提高50倍，通態(tài)壓降降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，結(jié) 溫高達(dá)600o（2）變換電路的發(fā)展：傳統(tǒng)電力電子技術(shù)采用相控電路，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)由四大基本變 換向pwm電路以及軟pwm電路發(fā)展。（3）控制技術(shù)：隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的控制不僅僅依賴于硬件 電路，而口可以利用軟件編程，既方便靈活，

3、又利用復(fù)雜控制策略和方案 的實(shí)現(xiàn)。（4）傳統(tǒng)電力電子技術(shù)的研究其實(shí)就是電源技術(shù)，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不僅 在電源技術(shù)方面滿足各種負(fù)載的要求，而且提供巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也 在電力系統(tǒng)中作為電子補(bǔ)償器來控制電能的傳輸，從而改善電力系統(tǒng)的運(yùn) 行特性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。這類應(yīng)用涉及高壓人功率開關(guān)電路和復(fù)雜的控制技 術(shù)。特征：（1）處理電功率的能力，即承受電壓和電流的能力，小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，即導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路,管壓降接近于零，而電流由外電路決定；阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很 大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決 定。這些

4、升關(guān)特性和參數(shù)，也是電力電子器件的重要特性。(3) 實(shí)際應(yīng)用中，電力電子器件往往需要由信息電了電路來控制。主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào) 進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。(4) 為保證損耗產(chǎn)牛的熱量不致使器件溫度過高而損壞，不僅要考慮器件封裝上的散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般也要安裝散熱器。這 是因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗，阻斷 時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗，而在器件 開通或關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損 耗。對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件 發(fā)熱的原因之一。通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而

5、 通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)， 開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。發(fā)展趨勢(shì)：隨著電力電子裝置不斷向大功率、高頻化等方向發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)新型器 件的供不應(yīng)求，以及vlsi技術(shù)為新型器件的發(fā)展提供的微細(xì) 加工技術(shù)，可以預(yù)測(cè)，現(xiàn)代電力電子器件未來發(fā)展趨勢(shì)是：(1)各種電力電子器件用驅(qū)動(dòng)器將取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同存在一個(gè)時(shí)期，其 存在時(shí)間的長(zhǎng)短和使用量的多少，取決于被驅(qū)動(dòng)電力電子器件 在電力電了器件領(lǐng)域中的興衰與消亡。(2) 各種電力電子器件驅(qū)動(dòng)器將高頻化、模塊化、系列化、智能化，其驅(qū)動(dòng)全控型功率器件的容量有望進(jìn)一步擴(kuò)大，頻率進(jìn)一步提(3) 新材料將在電力電了器件驅(qū)動(dòng)器

6、中獲得應(yīng)用。新型材料碑化稼(gaas)稼鋁碑(gaalas)、碳化硅和金剛石等將成為全控型電 力電子器件驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)的選用材料。它們的使用將極大地縮小 電力電子器件驅(qū)動(dòng)器的尺寸，并提高其工作頻率和效率。(4) 各種電力電子器件驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)使用量將逐步縮小，它在智能功率集成電路、高壓集成電路中與電力電子器件共同使用的數(shù)量會(huì) 越來越多。(5) 各種電力電子器件驅(qū)動(dòng)器的工作電源將日益簡(jiǎn)化，其消耗功率將下降。先進(jìn)技術(shù)將極大地簡(jiǎn)化電力電子器件驅(qū)動(dòng)器的工作電源 結(jié)構(gòu)。2.為什么晶閘管相控整流電路的功率因數(shù)比較低？提高整流電路網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的方法主要有哪些?答：1、功率因數(shù)低的原因：晶閘管相控整流電路在可控整流電

7、路中，整流電源 是依靠改變控制角來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓或穩(wěn)壓，這種傳統(tǒng)的相控整流電路的網(wǎng)側(cè)電流絕大 多數(shù)都是非正弦的，失真嚴(yán)重。晶閘管相控整流工作在深度相控狀態(tài)時(shí)(相控整流電路在觸發(fā)角q較大時(shí)), 輸入電流滯后于電壓，產(chǎn)生大量的無功，功率因數(shù)很低。整流電路中，盡管輸 入電壓是正弦波，但是輸入電流時(shí)非正弦波，而且產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變。功率因數(shù) 與下面式子有關(guān):這其中，pf是功率因數(shù)，這里是把電流進(jìn)行了傅里葉變換，i足基波幅值， 左邊一項(xiàng)(畸變因數(shù))指的是基波電流效值與總的輸入電流有效值所占的比例。 右邊一項(xiàng)相位移因數(shù)，兩者的乘積即為功率因數(shù)，在晶閘管進(jìn)行整流時(shí)，晶閘管 的觸發(fā)角影響著諧波電流的幅值。并且觸發(fā)角的

8、角度越大時(shí)，諧波電流的幅值也 會(huì)增大，影響著整個(gè)功率因數(shù)，使得整個(gè)功率因數(shù)下降。綜上所述，晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發(fā) 延遲角a的增大而增大，位移因數(shù)也隨之降低。同吋，輸入電流中諧波分量很人, 所以功率因數(shù)也很低。2、提高整流電路網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的方法主要有：以保證電網(wǎng)供電質(zhì)量，提高電 網(wǎng)的可靠性，同時(shí)也為了提高輸入端功率因數(shù)，必須限制電路的輸入端諧波 電流分量。提高變流電路輸入端功率因數(shù)和減小輸入電流諧波的主要方法有：1）多重化整流。增加整流相數(shù)，使網(wǎng)側(cè)電流更加接近正弦。按照一定的規(guī)律將兩個(gè)或更多的相同結(jié)構(gòu)的整流電路進(jìn)行組合得到多重整 流。移項(xiàng)多重聯(lián)結(jié)減少交流側(cè)輸入電

9、流諧波，串聯(lián)多垂 整流電路采用順序 控制可提高功率因數(shù)。2）無功補(bǔ)償裝置。利用有源功率因數(shù)校正，放棄傳統(tǒng)的相控整流方案，代之以高頻調(diào)制原理， 通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕咕W(wǎng)側(cè)電流近似為正弦。這就是新一代整流電路（高 功率因數(shù)變流器）所依據(jù)的工作原理。對(duì)得到的全波脈動(dòng)電壓進(jìn)行dc/dc 變換。通過適當(dāng)?shù)目刂剖沟幂斎腚娏靼讋?dòng)跟隨全波脈動(dòng)電壓，輸入阻抗呈純 阻性，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1。3）利用自關(guān)斷器件代替晶閘管，通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，如熄滅角控制、?duì)稱 角控制、正弦脈寬調(diào)制（spwm）等來改善功率因數(shù)。3. 簡(jiǎn)述pwm整流電路的原理，以及該電路功率因數(shù)高的原因？答:1.pwm整流電路的原理：pwm整流電路

10、采用全控型器件組成，把逆變電路 中的spwm控制技術(shù)用于整流電路，通過對(duì)電路進(jìn)行控制，使其輸入電流非 常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，且功率因數(shù)近似1,因此pwm整流電 路也稱單位功率變流器。以單相全橋pwm整流電路為例說明工作原理，下圖為全橋pwm整流電 路的電路圖。按正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖中的乂進(jìn)行spwm控制,就可以在橋的交流輸入端ab產(chǎn)生一個(gè)spwm波心o ua/i屮含有和正弦信號(hào) 波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧 波，不含有低次諧波。b)負(fù) 載工作過程如下：整流狀態(tài)下，冷0時(shí)，、vd4. vd.厶和、vd vz）4厶分別組成兩個(gè)升壓斬波

11、電路，以(匕、刃入、m、&)為例。嶺通時(shí)，他通過匕、vd4向&儲(chǔ)能。嶺關(guān)斷吋，厶中的儲(chǔ)能通過“入向直流側(cè)電容c充電。他v0時(shí)，(、vdv vd2. ls )和(匕、vd2. vd3. ls )分別組成兩個(gè)升壓斬波電路原理和冷0時(shí)類似。三相工作原理和前述的單相全橋屯路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。對(duì) 電路進(jìn)行spwm控制，在橋的交流輸入端a、b、c可得到spwm的電壓， 對(duì)各項(xiàng)電壓按整流運(yùn)行向量圖控制，就可以得到各相電流為止弦波和電壓相 位相同，功率因數(shù)近似為1。2 .該電路功率因數(shù)高的原因：通過對(duì)pwm整流電路進(jìn)行控制，選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鲄奸g間隔，交 流側(cè)的電流可以按規(guī)定口

12、標(biāo)變化，使得能量在交流側(cè)和直流側(cè)實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng), 且交流側(cè)電流罪常接近止弦波,和交流側(cè)電壓同相位，可使變流裝置獲得較高 的功率因數(shù)。因此通過一定得技術(shù)即可以提高整個(gè)電路的功率因數(shù)。5.多電平逆變器從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分主要有哪些類型，簡(jiǎn)述各種類型的特點(diǎn)？ 答：1多電平逆變器從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)歸納起來主要有三種：(1) 二極管箝位型逆變器(2) 飛跨電容型逆變器(3) 具有獨(dú)立電源的級(jí)聯(lián)型逆變器2.這三種結(jié)構(gòu)具有共同的優(yōu)點(diǎn)：(1) 電平數(shù)越高，輸出電壓諧波含量越低；(2)器件開關(guān)頻率低，開關(guān)損 耗??；(3)器件應(yīng)力小，無需動(dòng)態(tài)均壓。它們各自的特點(diǎn)：(1) 二極管箝位型逆變器二極管箝位結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)：就是利

13、用二極管箝位解決了功率器件串聯(lián) 的均壓?jiǎn)栴}，適于高電壓場(chǎng)合。由于沒有兩電平逆變器中兩個(gè)串聯(lián)器件 同時(shí)導(dǎo)通和同時(shí)關(guān)斷的問題，所以該拓?fù)鋵?duì)器件的動(dòng)態(tài)性能要求低，器 件受到的電壓應(yīng)力小，系統(tǒng)可靠性有所提高。在輸岀性能上也擁有多電 平逆變器所固有的優(yōu)點(diǎn)，如電壓畸變小，du/dt小，對(duì)電機(jī)負(fù)載的沖擊小 等。缺點(diǎn)：但是二極管箝位型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍然有其固有不足：雖 然開關(guān)器件被箝位在e/(n-1)電壓上，但是二極管卻要承受不同倍數(shù)的反 向耐壓；如果使二極管的反向耐壓與開關(guān)器件相同，則需要多管串聯(lián)， 當(dāng)串聯(lián)數(shù)目很大時(shí)，增加了實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度。當(dāng)逆變器傳輸有功功 率時(shí)，由于各個(gè)電容的充電時(shí)間不同，將形

14、成不平衡的電容電壓。(2) 飛跨電容型逆變器飛跨電容型逆變器相對(duì)于二極管箱位型逆變器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 在電壓合成方面，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性；(2) 由于電容的引進(jìn)，可通過在同一電平上不同開關(guān)的組合，使直流 側(cè)電容電壓保持均衡；(3) 可以控制有功功率和無功功率的流量，因此可用于高壓直流輸電。 缺點(diǎn)：由于該結(jié)構(gòu)需要大量的箝位電容，對(duì)于n電平的逆變器，其所 需的懸浮電容需要(1) (n-2)/2個(gè)。而且在運(yùn)行過程中必須嚴(yán)格控制 懸浮電容電壓的平衡以保證逆變器的運(yùn)行安全，而電容器件本身存在 可靠性較差，壽命較短的問題，所以導(dǎo)致逆變器可靠性差。對(duì)于電容 電壓平衡的問題，可以在輸出相同電平時(shí)采用不同的開關(guān)組合對(duì)電容 進(jìn)行充放電來解決，但因電容太多，如何選擇開關(guān)組合將非常復(fù)雜， 并要求較高的切換頻率。逆變器每個(gè)橋臂需要的電容數(shù)量隨輸出電平 數(shù)增加而增加，再加上直流側(cè)的大量電容使得系統(tǒng)成本高且封裝困 難。其次控制方法非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來很困難，并且還存在電容的電 壓不平衡問題。(3) 具有獨(dú)立電源的級(jí)聯(lián)型逆變器級(jí)聯(lián)型逆變器的特點(diǎn)：(1) 每相由多個(gè)h橋單元級(jí)聯(lián)而成，逆變器輸出相電壓電平數(shù)l與單元 級(jí)聯(lián)數(shù)finz間存在l二