第6章

電力電子器件的實際應(yīng)用及技術(shù)開發(fā)

2008-3《電力電子技術(shù)及應(yīng)用》內(nèi)容簡介

本章結(jié)合實例討論采用電力電子器件的裝置、設(shè)備的工作原理，電路分析及應(yīng)用設(shè)計等方面的內(nèi)容。其中，小功率電力電子器件的應(yīng)用內(nèi)容可作為實驗、實訓(xùn)的素材和電子設(shè)計制作的開發(fā)平臺；大功率電力電子器件在中頻感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用內(nèi)容有助于理解通用工業(yè)設(shè)備的原理及作為今后工作實踐中的參考；有關(guān)大功率高壓變頻器方面的知識則有利于開拓視野，了解新型電力電子器件的一些應(yīng)用方向。內(nèi)容簡介介紹方式：

小功率電力電子器件的應(yīng)用以實用電路為主，詳細分析了調(diào)光電路、固態(tài)交流開關(guān)及兩線制小功率晶閘管電子開關(guān)電路。內(nèi)容主要包括小功率普通晶閘管和雙向晶閘管器件的觸發(fā)電路及觸發(fā)形式，涉及到典型的相位控制觸發(fā)、過零控制觸發(fā)、四象限控制觸發(fā)方面的技術(shù)應(yīng)用。

大功率電力電子器件裝置選擇中頻感應(yīng)加熱電源為例據(jù)，內(nèi)容包含了晶閘管整流和逆變電路。在對裝置的原理分析中以控制電路的原理為主，是對本書基礎(chǔ)部分內(nèi)容的補充和對相關(guān)課程的整合。這部分的重點應(yīng)該放在對數(shù)字式整流觸發(fā)電路、鎖相式逆變控制電路及閉環(huán)調(diào)節(jié)電路的理解上。

高壓變頻設(shè)備是通用變頻調(diào)速裝置的最新發(fā)展。本節(jié)以一種實用型裝置為例，概括地介紹了單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器的結(jié)構(gòu)、組成及原理。其中移相PWM調(diào)制的工作原理是單元串聯(lián)高壓變頻器的核心技術(shù)，也是這部分內(nèi)容的重點。內(nèi)容簡介小功率電力電子器件的應(yīng)用固態(tài)交流、直流開關(guān)電子調(diào)光電路內(nèi)容簡介采用小功率電力電子器件制作的裝置在工業(yè)控制電路和家用電器等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，以最常用的調(diào)光電路、固態(tài)交流開關(guān)及兩線制小功率晶閘管電子開關(guān)的工作原理進行詳細介紹，通過對電路的分析、理解，有利于讀者盡快掌握電力電子器件的應(yīng)用方法和具備電力電子裝置的開發(fā)能力。內(nèi)容簡介大功率電力電子器件在中頻感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用內(nèi)容簡介以較為普遍應(yīng)用的中頻感應(yīng)加熱裝置為例，介紹電力電子器件的綜合應(yīng)用。其中的內(nèi)容可以幫助學(xué)生比較系統(tǒng)地了解電力電子電路及電力電子設(shè)備的實用情況，同時也可以作為專業(yè)人員對設(shè)備原理分析及故障診斷時的參考資料。內(nèi)容簡介大功率電力電子器件用于高（中）電機變頻調(diào)速內(nèi)容簡介主要介紹IGBT元件在大功率高壓變頻器中的開發(fā)應(yīng)用。具體類型：單元串聯(lián)多電平電壓型變頻器拓?fù)湫问剑簡卧?lián)多電平變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該方案由美國羅賓康公司提出，取名完美無諧波變頻器。這種變頻器的另一優(yōu)點是對功率輸出器件要求較低，容易可靠地實現(xiàn)高壓輸出。

6.1小功率電力電子器件的應(yīng)用

小功率電力電子器件廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制電路和家用電器等領(lǐng)域。例如：調(diào)光電路、固態(tài)交流開關(guān)及兩線制小功率晶閘管電子開關(guān)等。6.1.1小功率白熾燈調(diào)光電路（a）

（b）

圖6-1晶閘管小功率白熾燈調(diào)光電路6.1小功率電力電子器件的應(yīng)用

小功率白熾燈調(diào)光電路通常采用由普通晶閘管、雙向晶閘管和觸發(fā)二極管組成的交流調(diào)壓電路，電路的負(fù)載一般為普通的白熾燈。調(diào)光電路的工作原理可以通過圖6-1（a）分析說明。該電路中采用了雙向晶閘管VS作為主控元件，觸發(fā)電路的特點是使用了雙向二極管SB，這種元件為PNP三層結(jié)構(gòu)，兩個PN結(jié)有對稱的電壓擊穿特性，擊穿電壓一般在30V左右，SB與可調(diào)電阻RW、電阻R、電容C1、C2共同組成了VS的移相調(diào)節(jié)觸發(fā)電路。分析調(diào)光電路的基本時，可以先省略R和C2，并將RW直接與VD、C1連接。此時，如果交流電源電壓超過零點，電源就會通過RW給C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過觸發(fā)二極管的擊穿電壓與雙向晶閘管的門極觸發(fā)電壓之和時，SB被擊穿，VS觸發(fā)導(dǎo)通。另外，通過調(diào)節(jié)RW的阻值可以改變C1的充電時間常數(shù)，即相當(dāng)于改變了控制角。6.1小功率電力電子器件的應(yīng)用

由于SB能夠雙向擊穿，因此VS在正、負(fù)半周均可被觸發(fā)，屬Ⅰ+、Ⅲ-觸發(fā)方式，在負(fù)載上得到的是缺角的受控正弦波。如果在上述電路的基礎(chǔ)上接入R和C2，就構(gòu)成了改進型調(diào)光電路，它克服了在大控制角觸發(fā)時，由于電源電壓已超過峰值并下降到較低的程度，此時如果RW阻值過大，則會造成C1充電電壓不足而SB無法擊穿。改進的原理是，在電源電壓很低時利用電路中增加的電容C2，通過電阻R放電，為

C1增加一個充電電路，以保證可靠地觸發(fā)，增大交流調(diào)壓的范圍。圖6-1（b）是一種低成本小功率白熾燈調(diào)光實用電路，電路除了采用普通晶閘管VT和二極管整流橋替代雙向晶閘管VS外，其他工作原理完全相同。

6.1小功率電力電子器件的應(yīng)用

6.1.2固態(tài)交流開關(guān)圖6-2零壓交流開關(guān)固態(tài)交流開關(guān)是一種無觸點通斷組件，一般采用雙向晶閘管作為負(fù)載電流控制開關(guān)。根據(jù)控制容量的不同，也稱為固態(tài)繼電器（SolidStateRelay，簡稱SSR），和固態(tài)接觸器(SolidStateContactor，簡稱SSC)。固態(tài)交流開關(guān)分為非零壓型開關(guān)和零壓型開關(guān)，典型電路分別如圖6-2、圖6-3所示。圖6-2非零壓交流開關(guān)6.1小功率電力電子器件的應(yīng)用

圖6-2所示的非零壓固態(tài)交流開關(guān)中左邊為交流開關(guān)控制端，右邊為交流開關(guān)接線端，當(dāng)有VIN輸入時，4N25中的光敏三極管導(dǎo)通，迫使V1截止，從而由R6提供觸發(fā)電流使普通晶閘管VT1導(dǎo)通。VT1的導(dǎo)通使VT1與橋路VD1~VD4組成的交流開關(guān)接通，在串接在回路中的電阻R7上產(chǎn)生壓降，從而又進一步觸發(fā)大功率雙向晶閘管VT2，形成固態(tài)交流開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。非零壓固態(tài)交流開關(guān)中只要VIN幅值足夠大，即可成為通態(tài)，無須考慮接線端電壓是否在交流電壓波形的過零點附近。圖6-3所示的零壓固態(tài)交流開關(guān)中，當(dāng)控制輸入電壓VIN大于一定幅值后，4N25中的光敏三極管導(dǎo)通，迫使V1截止，從而由R5提供觸發(fā)電流，有可能使普通晶閘管VT1導(dǎo)通。但是，VT1的導(dǎo)通還取決于V2是否截止，V2的截止由R3、R4的分壓決定，適當(dāng)選擇R3、R4的阻值，V2在交流電壓波形接近于過零點時截止，其余時刻導(dǎo)通，即可保證VT1、VT2在交流電壓過零點觸發(fā)，構(gòu)成零壓固態(tài)交流開關(guān)。6.1小功率電力電子器件的應(yīng)用

6．1．3小功率電力電子器件的技術(shù)開發(fā)

圖6-4兩線制電子節(jié)能開關(guān)

圖6-5兩線制功率擴展電子節(jié)能開關(guān)6.1小功率電力電子器件的應(yīng)用

圖6-5是一種帶有功率擴展兩線制電子節(jié)能開關(guān)，與圖6-4相比，是在原有的穩(wěn)壓二極管V3的基礎(chǔ)上增加了電阻R3和功率三極管V2進行了功率擴展，擴展的原因是功率超過1W的穩(wěn)壓二極管不易獲得。通常，不加擴展時只能夠用于100W以下的小功率負(fù)載，增加擴展后可以保證電路用于功率超過500W以上的負(fù)載。上述兩種電子開關(guān)電路可為小功率晶閘管控制電路的設(shè)計開發(fā)提供一種較好的平臺，如何利用靜態(tài)漏電流和獲得最大的觸發(fā)能量，如何設(shè)計靜態(tài)功耗小的觸發(fā)電路，如何添加多樣化的控制功能等都可以作為試驗、開發(fā)的課題。此外，在待機節(jié)能方面的探討也是一個永恒的主題。6.2電力電子器件的綜合應(yīng)用

本節(jié)以較為普遍應(yīng)用的中頻感應(yīng)加熱裝置為例，介紹電力電子器件的綜合應(yīng)用。其中的內(nèi)容可以幫助學(xué)生比較系統(tǒng)地了解電力電子電路及電力電子設(shè)備的實用情況，同時也可以作為專業(yè)人員對設(shè)備原理分析及故障診斷時的參考資料。中頻感應(yīng)加熱裝置按照功能劃分主要由主回路和控制電路兩大部分組成。其中主回路部分包括三相全控整流電路、逆變電橋及感應(yīng)加熱線圈，電路原理如圖6-6所示（整流逆變控制部分電路可參考附圖電路）。中頻感應(yīng)加熱裝置的主回路部分在前述章節(jié)已經(jīng)提及，以下將著重討論控制部分的電路組成及工作原理。6.2電力電子器件的綜合應(yīng)用

圖6-6中頻感應(yīng)加熱電源主回路原理簡圖

6.2電力電子器件的綜合應(yīng)用

圖3-35并聯(lián)諧振逆變電路圖3-37并聯(lián)諧振逆變電路工作波形6.2電力電子器件的綜合應(yīng)用

參考第3章圖3-36并聯(lián)諧振逆變電路的工作過程

6.2電力電子器件的綜合應(yīng)用

應(yīng)達公司模塊化鍛造中頻感應(yīng)加熱爐特點以及優(yōu)點：

標(biāo)準(zhǔn)的串連諧振模塊化電源

模塊化設(shè)計適應(yīng)柔性生產(chǎn)

串連電源，諧波畸變污染少，功率因數(shù)高而恒定95％

極高的電源轉(zhuǎn)換和線圈電熱效率，能耗比傳統(tǒng)至少低10％

可以實現(xiàn)閉環(huán)溫度監(jiān)控和溫度記錄

模塊化分段控制輸出功率實現(xiàn)精確的溫度控制

適應(yīng)極端重載工作環(huán)境，故障低，減少了維修成本

一體化結(jié)構(gòu)緊湊，基建公輔和工場占地少

最高可以實現(xiàn)專家系統(tǒng)、智能模糊控制

一個電流周期內(nèi)完成動態(tài)監(jiān)測和參數(shù)自動匹配

線圈適應(yīng)工件直徑范圍比傳統(tǒng)高一倍

6.2電力電子器件的綜合應(yīng)用

關(guān)鍵點--逆變部分起動原理

啟動方式：撞擊、擾動、掃頻。主要優(yōu)點：本節(jié)電路逆變觸發(fā)部分采用的是掃頻式零壓軟起動。由于自動調(diào)頻的需要，雖然逆變電路采用的是自激工作方式，控制信號也是取自負(fù)載端，但是主回路上無需附加的起動電路，不需要預(yù)充磁或預(yù)充電的起動過程，因此主電路得以簡化，但隨之帶來的問題是控制電路較為復(fù)雜。

起動過程：在逆變電路起動前，先由一個高于槽路諧振頻率的它激信號去觸發(fā)逆變晶閘管，當(dāng)電路檢測到主回路直流電流時，便控制它激信號的頻率從高向低掃描，當(dāng)它激信號頻率下降到接近槽路諧振頻率時，中頻電壓便建立起來，并反饋到自動調(diào)頻電路。自動調(diào)頻電路一旦投入工作，便停止它激信號的頻率掃描，轉(zhuǎn)由自動調(diào)頻電路控制逆變引前角，使設(shè)備進入穩(wěn)態(tài)運行。6.2電力電子器件的綜合應(yīng)用

起動保證措施：若一次起動不成功，即自動調(diào)頻電路沒有鎖住中頻電壓反饋信號，此時它激信號便會一直掃描到最低頻率。重復(fù)