电力电子技术简介

电力电子技术是通过以适合负载端客户的形式修改和提供电压和电流来处理和控制电力流动的技术。其特性框图如图1所示。

电力电子学更关心与功率级相关的情况而不是与信号级相关的情况下的电子原理。这一电子领域起源于 1956 年贝尔实验室的硅控整流器演变。SCR技术通过对信号电子设备结构的微小改变，引领了电子设备功率处理能力的突破。这导致高性能半导体器件具有更好的电压和电流处理能力，目前用于不同的应用，例如鼓风机、风扇、交流电、电池充电器、冰箱、干燥机、高压直流输电、静态补偿器的 pf 校正、静态电路断路器、继电器、UPS等。电力电子融合了电气工程的三大领域：电力、电子和控制。

图1 电力电子系统主要部件示意图

PE系统的电源可以是直流电源或交流电源，具体取决于该位置的应用或条件。PE系统的输出可以是可变的AC或DC电压或者可以是可变的电压和频率。因此，电力需要在电源和负载之间进行处理。这是在转换器的帮助下完成的。

转换器的故障会影响用户，转换器的损失就是整个系统的损失。转换器必须可靠，并且必须由损耗可忽略不计的元件制成，例如半导体开关。

反馈组件测量负载的参数并将其与命令信号进行比较。两者的差异作为电力电子装置的开通和关断命令的依据。

因此，电力电子处理器可以根据其操作主要分类：

交流转直流转换器（整流器）

直流转交流转换器（逆变器）

DC-DC 转换器（斩波器）

交流到交流转换器（环路转换器）

它们还可以根据开通和关断特性以及栅极信号要求和可控程度进行分类。

(a) 不可控整流器件（如二极管）：它们的开和关状态取决于电源。

(b) 半控器件（如晶闸管）：可以通过门信号开启，但其关断条件取决于电源电路。

(c) 全控开关（例如 BJT、MOSFET、GTO 和 IGBT）：这些器件通过应用控制信号来打开和关闭。

电力电子应用

电力电子技术彻底改变了电机和非电机应用中的无数控制技术，如下所示：

(1) 感应电机速度控制。 感应电动机的速度可以通过交流电压控制、电压/频率控制、转子电阻变化控制、转差功率恢复系统控制等来改变。控制感应电动机速度的的方法是通过以下方式改变施加的电压：在每条线路中使用由晶闸管组成的交流调节器。这是一种电压控制方法。V/f 控制是通过整流器/转换器与逆变器的组合来实现的。该逆变器可以是电压源逆变器(VSI)、电流源逆变器(CSI)或阻抗源逆变器(ZSI)。转子电阻变化是感应电机速度控制的传统方法，但这会导致火花和其他维护问题。

随着电力电子技术的进步，转子电阻的静态变化是在转子中的斩波器的帮助下实现的。虽然借助转子电阻的静态变化实现了很大的改进，但更好的速度控制方法是滑差功率恢复方案，这当然是电力电子应用。与转子电阻控制驱动一样，效率较低，因为滑差功率消耗在外部电阻中。这在低速或高滑差值时更为剧烈。称为速度环和电流环的闭环系统通常用于更好的控制和电流保护目的。

(2) 感应电机制动。 存在三种类型的制动，它们利用电力电子电路来停止正在运行的感应电机。这些称为堵塞制动、动态制动和再生制动。除此之外，还可以借助半导体开关来反转相序。

(3) 直流电机调速。 直流电机速度控制的主要方法是电枢控制和励磁控制。在电枢控制中，电枢电压变化，同时保持励磁电压恒定。在励磁控制的情况下，励磁电压变化，同时保持电枢电压恒定。低于基速的速度控制是通过电枢控制方法实现的，而高于基速的速度控制是通过磁场控制方法实现的。借助不同的变流器方案，可以获得包括正向电动和发电、反向电动和发电在内的多象限运行。通过改变转换器的触发角可以改变速度。闭环控制驱动器还可用于更和详细的控制。

(4) 直流电机制动。 与感应电机类似，直流电机也可以借助插拔制动、动态制动和再生制动来停止。

(5) 电源调节器。 直流稳压电源有两种类型：常规稳压电源和稳压电源。它们通常用于多种应用，例如实验室、医疗设备的电子电路等。在传统的稳压电源中，可用的交流电源借助变压器降压至较低水平，然后进行整流通过整流器将其变为直流电。然后还需要借助齐纳二极管来稳定它。

传统稳压器的主要缺点是变压器和电感器体积庞大。这些缺点可以借助称为开关模式电源 (SMPS) 的更版本的稳压器来解决。在这里，交流电源直接馈入整流器，无需变压器。整流器的直流输出是高频逆变器的输入。然后，逆变器的输出在变压器的帮助下降压为低压交流电。现在，这种高频低压交流电通过整流器进行整流，并使用L和C元件进行滤波。根据基本电动势方程，随着变压器频率的增加，所需的磁通会减少。因此，减小了变压器的尺寸。

(6) 焊接。 焊接是通过使短寿命和高值电流通过接触区域将金属件熔合在一起的过程。焊接所需的功率为$$P = I^{2}R。$$借助降压变压器增加电流。该焊接电源由交流斩波器控制。可以通过在特定时间间隔内触发晶闸管并随后在特定时间将其关闭来应用整数周期数。

(7) 加热器。 有两种类型的加热是在电力电子设备的帮助下完成的。它们是电阻加热和感应加热。

电阻加热是借助金属导体、非金属导体（例如碳管）、液体和电力电子设备（例如交流斩波器）来完成的。加热电阻由镍、铬等合金制成，其原理与焊接类似，即交流斩波器的积分循环控制。这种类型的加热用于加热用于生产或实验室目的的隔热炉。

感应加热用于多种应用，如熔化、锻造、钎焊、锡焊、退火、锻造、表面硬化等。它也称为涡流加热，因为其中产生的热量是由于涡流产生的。当工作线圈上施加交流电压时，就会流过交流电流。该电流感应出交变磁场。该磁场中的金属工作会切断交变磁通量，并在其中感应出电动势。该感应电动势引起涡流循环并产生热量。如果借助环形变流器等半导体器件来提高供电频率，涡流也会增加并产生更多热量。

感应加热目前还用于依次采用整流器、滤波器和逆变器的电子加热器。当对非导电材料施加交变场时，就会产生热量。产生的热量是由于介电损耗而产生的，该过程称为介电加热。热量取决于工作的介电强度。这种介电加热方法用于塑料、木材、纺织、橡胶、食品和化学工业等。

(8) 静态有载分接变速齿轮。 为了减少因负载变化而产生的电压变化，需要使用抽头变换齿轮变压器。改变抽头设置实际上意味着改变变压器的匝数比以改变电压。它需要电触点的接通和制动，这通常是手动完成的。然而，可能存在不可接受负载断开的负载，为此目的需要有载分接开关。电触点的闭合和制动可能会导致电触点产生火花、点蚀或腐蚀。此外，它还可能污染变压器的油。而且有载分接开关存在成本高、维护要求高、响应慢、电压波动等问题。这些问题可以借助具有两个反并联控制开关的电压控制器来克服。

(9) 静态无功补偿器。 这些电力电子设备提供并补偿感性负载消耗的滞后无功功率。它们有助于维持恒定的电源电压并改善功率因数。电力电子设备有晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管控制电抗器（TCR）、STATCOM、UPSC、UPFC等。

(10)不间断电源(UPS)：简单的UPS由整流器、逆变器和电池组成。当传统电源没有供电时，电池就会向逆变器供电。然而，如果任何 UPS 组件发生故障，它就会停止工作。它实际上不是很可靠。通过并行使用更多组件可以获得更可靠的系统。在并联配置的情况下，如果任何逆变器出现故障，可以借助固态灭弧室隔离该部分。UPS 还必须限度地减少总线上的电压瞬变，并在长时间停电期间为关键负载供电。

(11) 高压直流输电。 由于直流发电机的条件/限制，高压直流电的产生受到限制。这样，在发送端就被转换成DC然后进行传输。在接收端，借助逆变器将其转换回交流电。HVDC 采用单极和双极方案。由于HVDC系统的串联电抗为零，因此不存在稳定性问题。因此，高压直流输电的更高工作电压是可能的。

(12) 静态开关。 这些开关没有活动部件。晶闸管用作高功率应用的静态开关，而功率晶体管则用作低功率应用。静态开关具有非常高的开关速度和较长的使用寿命。由于它们没有移动部件，因此几乎不需要维护。

根据电源的不同，静态开关有两种类型，即交流静态开关和直流静态开关。这些开关充当交流和直流电路的继电器。如果输入为交流，则采用交流静态开关；当输入为直流时，采用直流静态开关。交流开关的开关速度取决于电源频率，而直流开关的开关速度取决于所使用的换向电路。

(13) 静态断路器。 这些半导体器件可提供快速且可靠的连续电流中断。静态断路器有两种类型：交流断路器和直流断路器。