電源處理簡介

電力電子技術(shù)是通過以適合負(fù)載端客戶的形式修改和提供電壓和電流來處理和控制電力流動的技術(shù)。其特性框圖如圖1所示。

電力電子學(xué)更關(guān)心與功率級相關(guān)的情況而不是與信號級相關(guān)的情況下的電子原理。這一電子領(lǐng)域起源于 1956 年貝爾實驗室的硅控整流器演變。SCR技術(shù)通過對信號電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的微小改變，引領(lǐng)了電子設(shè)備功率處理能力的突破。這導(dǎo)致高性能半導(dǎo)體器件具有更好的電壓和電流處理能力，目前用于不同的應(yīng)用，例如鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、交流電、電池充電器、冰箱、干燥機(jī)、高壓直流輸電、靜態(tài)補(bǔ)償器的 pf 校正、靜態(tài)電路斷路器、繼電器、UPS等。電力電子融合了電氣工程的三大領(lǐng)域：電力、電子和控制，

圖1 電力電子系統(tǒng)主要部件示意圖

PE 系統(tǒng)的電源可以是直流電源或交流電源，具體取決于該位置的應(yīng)用或條件。PE系統(tǒng)的輸出可以是可變的AC或DC電壓或者可以是可變的電壓和頻率。因此，電力需要在電源和負(fù)載之間進(jìn)行處理。這是在轉(zhuǎn)換器的幫助下完成的。

轉(zhuǎn)換器的故障會影響用戶，轉(zhuǎn)換器的損失就是整個系統(tǒng)的損失。轉(zhuǎn)換器必須可靠，并且必須由損耗可忽略不計的元件制成，例如半導(dǎo)體開關(guān)。

反饋組件測量負(fù)載的參數(shù)并將其與命令信號進(jìn)行比較。兩者的差異作為電力電子裝置的開通和關(guān)斷命令的依據(jù)。

因此，電力電子處理器可以根據(jù)其操作主要分類：

交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器（整流器）

直流轉(zhuǎn)交流轉(zhuǎn)換器（逆變器）

DC-DC 轉(zhuǎn)換器（斬波器）

交流到交流轉(zhuǎn)換器（環(huán)路轉(zhuǎn)換器）

它們還可以根據(jù)開通和關(guān)斷特性以及柵極信號要求和可控程度進(jìn)行分類。

(a) 不可控整流器件（如二極管）：它們的開和關(guān)狀態(tài)取決于電源。

(b) 半控器件（如晶閘管）：可以通過門信號開啟，但其關(guān)斷條件取決于電源電路。

(c) 全控開關(guān)（例如 BJT、MOSFET、GTO 和 IGBT）：這些器件通過應(yīng)用控制信號來打開和關(guān)閉。

電力電子應(yīng)用

電力電子技術(shù)徹底改變了電機(jī)和非電機(jī)應(yīng)用中的無數(shù)控制技術(shù)，如下所示：

(1) 感應(yīng)電機(jī)速度控制。 感應(yīng)電動機(jī)的速度可以通過交流電壓控制、電壓/頻率控制、轉(zhuǎn)子電阻變化控制、轉(zhuǎn)差功率恢復(fù)系統(tǒng)控制等來改變。控制感應(yīng)電動機(jī)速度的的方法是通過以下方式改變施加的電壓：在每條線路中使用由晶閘管組成的交流調(diào)節(jié)器。這是一種電壓控制方法。V/f 控制是通過整流器/轉(zhuǎn)換器與逆變器的組合來實現(xiàn)的。該逆變器可以是電壓源逆變器(VSI)、電流源逆變器(CSI)或阻抗源逆變器(ZSI)。轉(zhuǎn)子電阻變化是感應(yīng)電機(jī)速度控制的傳統(tǒng)方法，但這會導(dǎo)致火花和其他維護(hù)問題。

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)子電阻的靜態(tài)變化是在轉(zhuǎn)子中的斬波器的幫助下實現(xiàn)的。雖然借助轉(zhuǎn)子電阻的靜態(tài)變化實現(xiàn)了很大的改進(jìn)，但更好的速度控制方法是滑差功率恢復(fù)方案，這當(dāng)然是電力電子應(yīng)用。與轉(zhuǎn)子電阻控制驅(qū)動一樣，效率較低，因為滑差功率消耗在外部電阻中。這在低速或高滑差值時更為劇烈。稱為速度環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)通常用于更好的控制和電流保護(hù)目的。

(2) 感應(yīng)電機(jī)制動。 存在三種類型的制動，它們利用電力電子電路來停止正在運行的感應(yīng)電機(jī)。這些稱為堵塞制動、動態(tài)制動和再生制動。除此之外，還可以借助半導(dǎo)體開關(guān)來反轉(zhuǎn)相序。

(3) 直流電機(jī)調(diào)速。 直流電機(jī)速度控制的主要方法是電樞控制和勵磁控制。在電樞控制中，電樞電壓變化，同時保持勵磁電壓恒定。在勵磁控制的情況下，勵磁電壓變化，同時保持電樞電壓恒定。低于基速的速度控制是通過電樞控制方法實現(xiàn)的，而高于基速的速度控制是通過磁場控制方法實現(xiàn)的。借助不同的變流器方案，可以獲得包括正向電動和發(fā)電、反向電動和發(fā)電在內(nèi)的多象限運行。通過改變轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)角可以改變速度。閉環(huán)控制驅(qū)動器還可用于更和詳細(xì)的控制。

(4) 直流電機(jī)制動。 與感應(yīng)電機(jī)類似，直流電機(jī)也可以借助插拔制動、動態(tài)制動和再生制動來停止。

(5) 電源調(diào)節(jié)器。 直流穩(wěn)壓電源有兩種類型：常規(guī)穩(wěn)壓電源和穩(wěn)壓電源。它們通常用于多種應(yīng)用，例如實驗室、醫(yī)療設(shè)備的電子電路等。在傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源中，可用的交流電源借助變壓器降壓至較低水平，然后進(jìn)行整流通過整流器將其變?yōu)橹绷麟?。然后還需要借助齊納二極管來穩(wěn)定它。

傳統(tǒng)穩(wěn)壓器的主要缺點是變壓器和電感器體積龐大。這些缺點可以借助稱為開關(guān)模式電源 (SMPS) 的更版本的穩(wěn)壓器來解決。在這里，交流電源直接饋入整流器，無需變壓器。整流器的直流輸出是高頻逆變器的輸入。然后，逆變器的輸出在變壓器的幫助下降壓為低壓交流電?，F(xiàn)在，這種高頻低壓交流電通過整流器進(jìn)行整流，并使用L和C元件進(jìn)行濾波。根據(jù)基本電動勢方程，隨著變壓器頻率的增加，所需的磁通會減少。因此，減小了變壓器的尺寸。

(6) 焊接。 焊接是通過使短壽命和高值電流通過接觸區(qū)域?qū)⒔饘偌酆显谝黄鸬倪^程。焊接所需的功率為$$P = I^{2}R。$$借助降壓變壓器增加電流。該焊接電源由交流斬波器控制?？梢酝ㄟ^在特定時間間隔內(nèi)觸發(fā)晶閘管并隨后在特定時間將其關(guān)閉來應(yīng)用整數(shù)周期數(shù)。

(7) 加熱器。 有兩種類型的加熱是在電力電子設(shè)備的幫助下完成的。它們是電阻加熱和感應(yīng)加熱。

電阻加熱是借助金屬導(dǎo)體、非金屬導(dǎo)體（例如碳管）、液體和電力電子設(shè)備（例如交流斬波器）來完成的。加熱電阻由鎳、鉻等合金制成，其原理與焊接類似，即交流斬波器的積分循環(huán)控制。這種類型的加熱用于加熱用于生產(chǎn)或?qū)嶒炇夷康牡母魺釥t。

感應(yīng)加熱用于多種應(yīng)用，如熔化、鍛造、釬焊、錫焊、退火、鍛造、表面硬化等。它也稱為渦流加熱，因為其中產(chǎn)生的熱量是由于渦流產(chǎn)生的。當(dāng)工作線圈上施加交流電壓時，就會流過交流電流。該電流感應(yīng)出交變磁場。該磁場中的金屬工作會切斷交變磁通量，并在其中感應(yīng)出電動勢。該感應(yīng)電動勢引起渦流循環(huán)并產(chǎn)生熱量。如果借助環(huán)形變流器等半導(dǎo)體器件來提高供電頻率，渦流也會增加并產(chǎn)生更多熱量。

感應(yīng)加熱目前還用于依次采用整流器、濾波器和逆變器的電子加熱器。當(dāng)對非導(dǎo)電材料施加交變場時，就會產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生的熱量是由于介電損耗而產(chǎn)生的，該過程稱為介電加熱。熱量取決于工作的介電強(qiáng)度。這種介電加熱方法用于塑料、木材、紡織、橡膠、食品和化學(xué)工業(yè)等。

(8) 靜態(tài)有載分接變速齒輪。 為了減少因負(fù)載變化而產(chǎn)生的電壓變化，需要使用抽頭變換齒輪變壓器。改變抽頭設(shè)置實際上意味著改變變壓器的匝數(shù)比以改變電壓。它需要電觸點的接通和制動，這通常是手動完成的。然而，可能存在不可接受負(fù)載斷開的負(fù)載，為此目的需要有載分接開關(guān)。電觸點的閉合和制動可能會導(dǎo)致電觸點產(chǎn)生火花、點蝕或腐蝕。此外，它還可能污染變壓器的油。而且有載分接開關(guān)存在成本高、維護(hù)要求高、響應(yīng)慢、電壓波動等問題。這些問題可以借助具有兩個反并聯(lián)控制開關(guān)的電壓控制器來克服。

(9) 靜態(tài)無功補(bǔ)償器。 這些電力電子設(shè)備提供并補(bǔ)償感性負(fù)載消耗的滯后無功功率。它們有助于維持恒定的電源電壓并改善功率因數(shù)。電力電子設(shè)備有晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管控制電抗器（TCR）、STATCOM、UPSC、UPFC等。

(10)不間斷電源(UPS)：簡單的UPS由整流器、逆變器和電池組成。當(dāng)傳統(tǒng)電源沒有供電時，電池就會向逆變器供電。然而，如果任何 UPS 組件發(fā)生故障，它就會停止工作。它實際上不是很可靠。通過并行使用更多組件可以獲得更可靠的系統(tǒng)。在并聯(lián)配置的情況下，如果任何逆變器出現(xiàn)故障，可以借助固態(tài)滅弧室隔離該部分。UPS 還必須限度地減少總線上的電壓瞬變，并在長時間停電期間為關(guān)鍵負(fù)載供電。

(11) 高壓直流輸電。 由于直流發(fā)電機(jī)的條件/限制，高壓直流電的產(chǎn)生受到限制。這樣，在發(fā)送端就被轉(zhuǎn)換成DC然后進(jìn)行傳輸。在接收端，借助逆變器將其轉(zhuǎn)換回交流電。HVDC 采用單極和雙極方案。由于HVDC系統(tǒng)的串聯(lián)電抗為零，因此不存在穩(wěn)定性問題。因此，高壓直流輸電的更高工作電壓是可能的。

(12) 靜態(tài)開關(guān)。 這些開關(guān)沒有活動部件。晶閘管用作高功率應(yīng)用的靜態(tài)開關(guān)，而功率晶體管則用作低功率應(yīng)用。靜態(tài)開關(guān)具有非常高的開關(guān)速度和較長的使用壽命。由于它們沒有移動部件，因此幾乎不需要維護(hù)。

根據(jù)電源的不同，靜態(tài)開關(guān)有兩種類型，即交流靜態(tài)開關(guān)和直流靜態(tài)開關(guān)。這些開關(guān)充當(dāng)交流和直流電路的繼電器。如果輸入為交流，則采用交流靜態(tài)開關(guān)；當(dāng)輸入為直流時，采用直流靜態(tài)開關(guān)。交流開關(guān)的開關(guān)速度取決于電源頻率，而直流開關(guān)的開關(guān)速度取決于所使用的換向電路。

(13) 靜態(tài)斷路器。 這些半導(dǎo)體器件可提供快速且可靠的連續(xù)電流中斷。靜態(tài)斷路器有兩種類型：交流斷路器和直流斷路器。