[科普中国]-冶金特种电力电子变换电源

简介

近年来，国内外学者相继研制出适用于工业应用的基于脉宽调制(Pulse WidthModulation, PWM)技术的PWM整流器。该装置利用现代电力电子技术，通过控制半导体功率开关器件开通和关断的时间比率，维持输出电压稳定，控制网侧电流波形，使之单位功率因数运行，同时能够实现能量的双向传输。在主电路类型上既有能输出稳定直流电压的电压型整流器(VSR-Voltage Source Rectifier)，也有可等效为直流电流源的电流型整流器(CSR-Current Source Rectifier)。与传统晶闸管整流器装置相比，PWM式整流装置具有高效节能，体积小，动态性能好，适应能力更强等显著的优点。在变频驱动领域的变流装置中，采用大功率电压型PWM整流器代替不可控整流器的节能效果显著，动态响应的速度显著提高。1

两相正交逆变电源技术在交流传动领域，变频电源可以按设计要求方便的改变输出电源的电压、电流和频率，来驱动感应电机等负荷。变频电源技术的发展是基于电力电子技术而不断发展进步的。由于不断涌现的电力电子器件，变频电源技术得到了飞速发展。在传统上，变频电源采用晶闸管式直接AC-AC周波变换技术，将三相交流电直接转化为某一频率和电压的交流电，其控制性能较差，损耗大。然而随着电力电子开关技术的进步，间接式AC-DC-AC变换的逆变电源被开发和采用，首先将三相交流电转化为直流电，然后将直流电转化为交流电，具有控制灵活，响应速度快等特点。

在工业和居民用电中，驱动负荷大多为三相负载和单相负载。但在一些特殊的工业场合，存在两相负荷。例如，在冶金连铸行业中，冶金连铸电磁搅拌器需要两相正交电源供给励磁形成两相旋转磁场;单相异步电动机有两个正交的定子绕组，也需要两相逆变电源进行变频调速进行控制等，这种单相电源通常称为两相逆变电源 。两相逆变电源所作用的两相电机在应用转子磁场定向控制时，由于其定子两相绕组自然正交，所以与三相电机应用矢量控制相比，它减少了一个从三相坐标系到两相坐标系的变换，减少了计算量。尤其在电磁搅拌领域，要求两相电源输出电流大，且需要进行频繁的正反向切换，响应速度要快，多两相正交逆变器 了更高的要求，因此，研究高性能两相逆变电源及其控制技术具有重要意义。

多模块并联直流电源技术在电解、电镀、金属着色、电泳等电化学行业，需要多种大功率直流电源，其各项性能直接关系到所生产产品的质量、成本及生产效率，是保证生产过程的重要环节。在中大功率电化学领域中，特别是兆瓦级电源，传统上主要以高能耗的可控硅整流电源为主。随着电力电子技术进步，在该领域中采用电力电子技术的高频开关电源装置被开发，具有体积小，效率高和控制灵活等特性，得到了广泛的认可。

高频开关电源一般采用两级式，即由AC-DC变换器和和DC-DC变换器组成。目前前级AC-DC变换器将交流输入电整流后，通过滤波电容可得到平稳的直流电源。后级DC-DC变换器通常由H桥逆变器、高频变压器和二极管整流器构成。通过桥逆变器将直流电源变换成高频交流电(10kHz以上)，然后经高频变压器降压得到低压高频交流电，后经整流滤波获得稳定的直流输出。电源通过闭环反馈控制，使输出电压或电流保持稳定。尤其在电解铜箔领域，要求输出直流电流高达50kA，单个电源模块无法实现，此时需要多个电源模块运行，因此研究大功率多模块并联直流电源技术和装置具有重要意义。

PWM整流技术20世纪70年代末期，PWM控制技术开始应用于整流装置，随着自关断功率器件的进步，PWM控制技术的研究得到了进一步发展。Holtz Joachim等人率先 了基于可关断器件的全桥PWM整流器结构，可以通过控制输入电流的幅值和相位来实现装置高功率因数运行。然后，Akagi教授 以PWM整流器拓扑为基础的功率补偿器，为后来PWM整流器的进一步设计奠定了基础。 PWM整流器的交流侧受控源特性拓展了其控制技术的应用范围。功率因数校正(Power FactorCorrection, PFC)、有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)、静止无功补偿器(STATic var COMpensator, STATCOM)以及四象限交流电机驱动等均是以PWM整流器拓扑及其控制技术为基础发展起来的。

PWM整流器是一种全控型变换器，能够灵活控制变换器输入侧交流电流，实现高功率因数和低谐波运行，故又称为功率因数校正电路。目前PWM整流器的研究主要集中于拓扑结构及控制策略的研究。三相功率因数校正电路拓扑结构先后经历了三相单开关、三相双开关、三相三开关三电平等经典结构的发展。特别是三相六开关PWM整流器通过采用PWM调制技术实现了输入电流的连续控制，具有精度高，响应速度快等优点。为满足不同功率等级情况下的需要，国内外学者对不同拓扑结构的PWM整流器进行了研究。1

DC/DC变换器的多模块并联均流控制技术在电化学行业需要低压大直流输出电源，这样通常需要多台直流开关电源模块进行并联运行以实现大电流输出。多模块并联的直流开关电源系统，最重要的问题就是模块之间的均流控制问题。为了提高多并联直流电源系统的稳定性和可靠性，必须采取合适的均流控制技术使各模块根据自身的功率平均负担负载电流。传统直流电源的并联均流控制方法主要可以分成以下几类:

①等效电阻均流方式。一般直流开关电源的输出内阻都较小，而且较分散，因此，各电源模块并联时的输出电流互不相同。通过调整和控制各电源模块的等效输出电阻并保证相互之间的一致性，就能够实现并联均流的效果。但是，此方法会改变电源模块的电压输出调整率，但是各电源模块的开路输出电压并不相同，所以其均流效果不佳。

②主从均流方式。在并联电源系统中，设定一个主控制器或者选择某个电源模块作为主控制电源，该主控电源完成对电压的调节控制，其输出信号作为电流指令参考信号，用来控制其他电源模块的输出电流。主从均流控制精度较高，但同时存在缺陷:当主电源模块或主控制器发生故障时，会导致整个系统奔溃或瘫痪，影响系统的可靠运行。