第 6 章电力电子器件的实际应用及技术开发

《电力电子技术及应用》 第 6 章电力电子器件的实际应用及技术开发 2008 - 3

内容简介 本章结合实例讨论采用电力电子器件的装置、设备的工作原理，电路分析及应用设计等方面的内容。其中，小功率电力电子器件的应用内容可作为实验、实训的素材和电子设计制作的开发平台；大功率电力电子器件在中频感应加热电源中的应用内容有助于理解通用工业设备的原理及作为今后工作实践中的参考；有关大功率高压变频器方面的知识则有利于开拓视野，了解新型电力电子器件的一些应用方向。

内容简介 介绍方式：小功率电力电子器件的应用以实用电路为主，详细分析了调光电路、固态交流开关及两线制小功率晶闸管电子开关电路。内容主要包括小功率普通晶闸管和双向晶闸管器件的触发电路及触发形式，涉及到典型的相位控制触发、过零控制触发、四象限控制触发方面的技术应用。大功率电力电子器件装置选择中频感应加热电源为例据，内容包含了晶闸管整流和逆变电路。在对装置的原理分析中以控制电路的原理为主，是对本书基础部分内容的补充和对相关课程的整合。这部分的重点应该放在对数字式整流触发电路、锁相式逆变控制电路及闭环调节电路的理解上。高压变频设备是通用变频调速装置的最新发展。本节以一种实用型装置为例，概括地介绍了单元串联多电平高压大功率变频器的结构、组成及原理。其中移相PWM调制的工作原理是单元串联高压变频器的核心技术，也是这部分内容的重点。

内容简介 固态交流、直流开关电子调光电路小功率电力电子器件的应用

内容简介 采用小功率电力电子器件制作的装置在工业控制电路和家用电器等领域已得到了广泛的应用，以最常用的调光电路、固态交流开关及两线制小功率晶闸管电子开关的工作原理进行详细介绍，通过对电路的分析、理解，有利于读者尽快掌握电力电子器件的应用方法和具备电力电子装置的开发能力。

内容简介 大功率电力电子器件在中频感应加热电源中的应用

内容简介 以较为普遍应用的中频感应加热装置为例，介绍电力电子器件的综合应用。其中的内容可以帮助学生比较系统地了解电力电子电路及电力电子设备的实用情况，同时也可以作为专业人员对设备原理分析及故障诊断时的参考资料。

内容简介 大功率电力电子器件用于高（中）电机变频调速

内容简介 主要介绍IGBT元件在大功率高压变频器中的开发应用。具体类型：单元串联多电平电压型变频器拓扑形式：单元串联多电平变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该方案由美国罗宾康公司提出，取名完美无谐波变频器。这种变频器的另一优点是对功率输出器件要求较低，容易可靠地实现高压输出。

6.1 小功率电力电子器件的应用 小功率电力电子器件广泛应用与工业控制电路和家用电器等领域。例如：调光电路、固态交流开关及两线制小功率晶闸管电子开关等。 6.1.1 小功率白炽灯调光电路（a）（b）图6-1 晶闸管小功率白炽灯调光电路

6.1 小功率电力电子器件的应用 小功率白炽灯调光电路通常采用由普通晶闸管、双向晶闸管和触发二极管组成的交流调压电路，电路的负载一般为普通的白炽灯。调光电路的工作原理可以通过图6-1（a）分析说明。该电路中采用了双向晶闸管VS作为主控元件，触发电路的特点是使用了双向二极管SB，这种元件为PNP三层结构，两个PN结有对称的电压击穿特性，击穿电压一般在30 V左右，SB与可调电阻RW、电阻R、电容C1、C2共同组成了VS的移相调节触发电路。分析调光电路的基本时，可以先省略R和C2，并将RW直接与VD、C1连接。此时，如果交流电源电压超过零点，电源就会通过RW给C1充电，当C1两端电压超过触发二极管的击穿电压与双向晶闸管的门极触发电压之和时，SB被击穿，VS触发导通。另外，通过调节RW的阻值可以改变C1的充电时间常数，即相当于改变了控制角。

6.1 小功率电力电子器件的应用 由于SB能够双向击穿，因此VS在正、负半周均可被触发，属Ⅰ+、Ⅲ-触发方式，在负载上得到的是缺角的受控正弦波。如果在上述电路的基础上接入R和C2 ，就构成了改进型调光电路，它克服了在大控制角触发时，由于电源电压已超过峰值并下降到较低的程度，此时如果RW阻值过大，则会造成C1充电电压不足而SB无法击穿。改进的原理是，在电源电压很低时利用电路中增加的电容C2 ，通过电阻R放电，为 C1增加一个充电电路，以保证可靠地触发，增大交流调压的范围。图6-1（b）是一种低成本小功率白炽灯调光实用电路，电路除了采用普通晶闸管VT和二极管整流桥替代双向晶闸管VS外，其他工作原理完全相同。

6.1 小功率电力电子器件的应用 6.1.2 固态交流开关固态交流开关是一种无触点通断组件，一般采用双向晶闸管作为负载电流控制开关。根据控制容量的不同，也称为固态继电器（Solid State Relay，简称SSR），和固态接触器(Solid State Contactor，简称SSC)。固态交流开关分为非零压型开关和零压型开关，典型电路分别如图6-2、图6-3所示。图 6-2 非零压交流开关图6-2 零压交流开关

6.1 小功率电力电子器件的应用 图6-2所示的非零压固态交流开关中左边为交流开关控制端，右边为交流开关接线端，当有VIN输入时，4N25中的光敏三极管导通，迫使V1截止，从而由R6提供触发电流使普通晶闸管VT1导通。VT1的导通使VT1与桥路VD1~VD4组成的交流开关接通，在串接在回路中的电阻R7上产生压降，从而又进一步触发大功率双向晶闸管VT2 ，形成固态交流开关的导通状态。非零压固态交流开关中只要VIN幅值足够大，即可成为通态，无须考虑接线端电压是否在交流电压波形的过零点附近。图6-3所示的零压固态交流开关中，当控制输入电压VIN大于一定幅值后，4N25中的光敏三极管导通，迫使V1截止，从而由R5提供触发电流，有可能使普通晶闸管VT1导通。但是，VT1的导通还取决于V2是否截止，V2的截止由R3、R4的分压决定，适当选择R3、R4的阻值，V2在交流电压波形接近于过零点时截止，其余时刻导通，即可保证VT1、VT2在交流电压过零点触发，构成零压固态交流开关。

6.1 小功率电力电子器件的应用 6．1．3 小功率电力电子器件的技术开发图6-4 两线制电子节能开关图6-5 两线制功率扩展电子节能开关

6.1 小功率电力电子器件的应用 图6-5是一种带有功率扩展两线制电子节能开关，与图6-4相比，是在原有的稳压二极管V3的基础上增加了电阻R3和功率三极管V2进行了功率扩展，扩展的原因是功率超过1W的稳压二极管不易获得。通常，不加扩展时只能够用于100W以下的小功率负载，增加扩展后可以保证电路用于功率超过500 W以上的负载。上述两种电子开关电路可为小功率晶闸管控制电路的设计开发提供一种较好的平台，如何利用静态漏电流和获得最大的触发能量，如何设计静态功耗小的触发电路，如何添加多样化的控制功能等都可以作为试验、开发的课题。此外，在待机节能方面的探讨也是一个永恒的主题。

6.2 电力电子器件的综合应用 本节以较为普遍应用的中频感应加热装置为例，介绍电力电子器件的综合应用。其中的内容可以帮助学生比较系统地了解电力电子电路及电力电子设备的实用情况，同时也可以作为专业人员对设备原理分析及故障诊断时的参考资料。中频感应加热装置按照功能划分主要由主回路和控制电路两大部分组成。其中主回路部分包括三相全控整流电路、逆变电桥及感应加热线圈，电路原理如图6-6所示（整流逆变控制部分电路可参考附图电路）。中频感应加热装置的主回路部分在前述章节已经提及，以下将着重讨论控制部分的电路组成及工作原理。

6.2 电力电子器件的综合应用 图6-6 中频感应加热电源主回路原理简图

6.2 电力电子器件的综合应用 图3-35 并联谐振逆变电路图3-37 并联谐振逆变电路工作波形

6.2 电力电子器件的综合应用 参考第3章图3-36 并联谐振逆变电路的工作过程

6.2 电力电子器件的综合应用 应达公司模块化锻造中频感应加热炉特点以及优点：标准的串连谐振模块化电源模块化设计适应柔性生产串连电源，谐波畸变污染少，功率因数高而恒定95％极高的电源转换和线圈电热效率，能耗比传统至少低10％可以实现闭环温度监控和温度记录模块化分段控制输出功率实现精确的温度控制适应极端重载工作环境，故障低，减少了维修成本一体化结构紧凑，基建公辅和工场占地少最高可以实现专家系统、智能模糊控制一个电流周期内完成动态监测和参数自动匹配线圈适应工件直径范围比传统高一倍

6.2 电力电子器件的综合应用 关键点--逆变部分起动原理启动方式：撞击、扰动、扫频。主要优点：本节电路逆变触发部分采用的是扫频式零压软起动。由于自动调频的需要，虽然逆变电路采用的是自激工作方式，控制信号也是取自负载端，但是主回路上无需附加的起动电路，不需要预充磁或预充电的起动过程，因此主电路得以简化，但随之带来的问题是控制电路较为复杂。起动过程：在逆变电路起动前，先由一个高于槽路谐振频率的它激信号去触发逆变晶闸管，当电路检测到主回路直流电流时，便控制它激信号的频率从高向低扫描，当它激信号频率下降到接近槽路谐振频率时，中频电压便建立起来，并反馈到自动调频电路。自动调频电路一旦投入工作，便停止它激信号的频率扫描，转由自动调频电路控制逆变引前角，使设备进入稳态运行。

6.2 电力电子器件的综合应用 起动保证措施：若一次起动不成功，即自动调频电路没有锁住中频电压反馈信号，此时它激信号便会一直扫描到最低频率。重复起动电路一旦检测到它激信号进入到最低频段，便进行一次再起动，把它激信号再推到最高频率，重新扫描一次，直至起动成功。一般重复起动的周期约为0.5 秒，完成一次起动到满功率运行的时间不超过1 秒钟。

6-13 逆变起动控制电路原理图-工作原理简述

6.1 小功率电力电子器件的应用 图6-10 2路脉冲通道选择及整形放大电路--工作原理简述

6.2 电力电子器件的综合应用 本节内容结束

控制电路原理总图-参考

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