冶金特種電力電子變換電源

冶金特種電力電子變換電源是一種冶金工業中利用典型電力電子變換技術與裝備PWM整流技術的電源。在電解、電泳、電鍍和金屬著色等電化學行業中，生產過程中需要用到各種大功率整流器。整流器是一種將交流電(AC)轉換為直流電(DC)的裝置，傳統大功率整流器一般採用晶閘管相控整流器，具有體積大，損耗大和諧波污染的缺陷。隨著電力技術進步，基於現代電力電子技術的整流器在如開關電源、大功率變頻驅動器、光伏發電設備等重要領域中得到了迅速的發展和套用。目前絕大部分變流裝置都是通過整流環節獲得直流電壓。

基本介紹

• 中文名：冶金特種電力電子變換電源
• 外文名：Metallurgical special power electronic power supply
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 涉及行業：冶金工業
• 核心技術：PWM整流技術

簡介

近年來，國內外學者相繼研製出適用於工業套用的基於脈寬調製(Pulse WidthModulation, PWM)技術的PWM整流器。該裝置利用現代電力電子技術，通過控制半導體功率開關器件開通和關斷的時間比率，維持輸出電壓穩定，控制網側電流波形，使之單位功率因數運行，同時能夠實現能量的雙向傳輸。在主電路類型上既有能輸出穩定直流電壓的電壓型整流器(VSR-Voltage Source Rectifier)，也有可等效為直流電流源的電流型整流器(CSR-Current Source Rectifier)。與傳統晶閘管整流器裝置相比，PWM式整流裝置具有高效節能，體積小，動態性能好，適應能力更強等顯著的優點。在變頻驅動領域的變流裝置中，採用大功率電壓型PWM整流器代替不可控整流器的節能效果顯著，動態回響的速度顯著提高。

兩相正交逆變電源技術

在交流傳動領域，變頻電源可以按設計要求方便的改變輸出電源的電壓、電流和頻率，來驅動感應電機等負荷。變頻電源技術的發展是基於電力電子技術而不斷發展進步的。由於不斷湧現的電力電子器件，變頻電源技術得到了飛速發展。在傳統上，變頻電源採用晶閘管式直接AC-AC周波變換技術，將三相交流電直接轉化為某一頻率和電壓的交流電，其控制性能較差，損耗大。然而隨著電力電子開關技術的進步，間接式AC-DC-AC變換的逆變電源被開發和採用，首先將三相交流電轉化為直流電，然後將直流電轉化為交流電，具有控制靈活，回響速度快等特點。

在工業和居民用電中，驅動負荷大多為三相負載和單相負載。但在一些特殊的工業場合，存在兩相負荷。例如，在冶金連鑄行業中，冶金連鑄電磁攪拌器需要兩相正交電源供給勵磁形成兩相旋轉磁場;單相異步電動機有兩個正交的定子繞組，也需要兩相逆變電源進行變頻調速進行控制等，這種單相電源通常稱為兩相逆變電源 。兩相逆變電源所作用的兩相電機在套用轉子磁場定向控制時，由於其定子兩相繞組自然正交，所以與三相電機套用矢量控制相比，它減少了一個從三相坐標繫到兩相坐標系的變換，減少了計算量。尤其在電磁攪拌領域，要求兩相電源輸出電流大，且需要進行頻繁的正反向切換，回響速度要快，多兩相正交逆變器 了更高的要求，因此，研究高性能兩相逆變電源及其控制技術具有重要意義。

多模組並聯直流電源技術

在電解、電鍍、金屬著色、電泳等電化學行業，需要多種大功率直流電源，其各項性能直接關係到所生產產品的質量、成本及生產效率，是保證生產過程的重要環節。在中大功率電化學領域中，特別是兆瓦級電源，傳統上主要以高能耗的可控矽整流電源為主。隨著電力電子技術進步，在該領域中採用電力電子技術的高頻開關電源裝置被開發，具有體積小，效率高和控制靈活等特性，得到了廣泛的認可。

高頻開關電源一般採用兩級式，即由AC-DC變換器和和DC-DC變換器組成。目前前級AC-DC變換器將交流輸入電整流後，通過濾波電容可得到平穩的直流電源。後級DC-DC變換器通常由H橋逆變器、高頻變壓器和二極體整流器構成。通過橋逆變器將直流電源變換成高頻交流電(10kHz以上)，然後經高頻變壓器降壓得到低壓高頻交流電，後經整流濾波獲得穩定的直流輸出。電源通過閉環反饋控制，使輸出電壓或電流保持穩定。尤其在電解銅箔領域，要求輸出直流電流高達50kA，單個電源模組無法實現，此時需要多個電源模組運行，因此研究大功率多模組並聯直流電源技術和裝置具有重要意義。

PWM整流技術

20世紀70年代末期，PWM控制技術開始套用於整流裝置，隨著自關斷功率器件的進步，PWM控制技術的研究得到了進一步發展。Holtz Joachim等人率先 了基於可關斷器件的全橋PWM整流器結構，可以通過控制輸入電流的幅值和相位來實現裝置高功率因數運行。然後，Akagi教授 以PWM整流器拓撲為基礎的功率補償器，為後來PWM整流器的進一步設計奠定了基礎。 PWM整流器的交流側受控源特性拓展了其控制技術的套用範圍。功率因數校正(Power FactorCorrection, PFC)、有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)、靜止無功補償器(STATic var COMpensator, STATCOM)以及四象限交流電機驅動等均是以PWM整流器拓撲及其控制技術為基礎發展起來的。

PWM整流器是一種全控型變換器，能夠靈活控制變換器輸入側交流電流，實現高功率因數和低諧波運行，故又稱為功率因數校正電路。目前PWM整流器的研究主要集中於拓撲結構及控制策略的研究。三相功率因數校正電路拓撲結構先後經歷了三相單開關、三相雙開關、三相三開關三電平等經典結構的發展。特別是三相六開關PWM整流器通過採用PWM調製技術實現了輸入電流的連續控制，具有精度高，回響速度快等優點。為滿足不同功率等級情況下的需要，國內外學者對不同拓撲結構的PWM整流器進行了研究。

DC/DC變換器的多模組並聯均流控制技術

在電化學行業需要低壓大直流輸出電源，這樣通常需要多台直流開關電源模組進行並聯運行以實現大電流輸出。多模組並聯的直流開關電源系統，最重要的問題就是模組之間的均流控制問題。為了提高多並聯直流電源系統的穩定性和可靠性，必須採取合適的均流控制技術使各模組根據自身的功率平均負擔負載電流。傳統直流電源的並聯均流控制方法主要可以分成以下幾類:

①等效電阻均流方式。一般直流開關電源的輸出內阻都較小，而且較分散，因此，各電源模組並聯時的輸出電流互不相同。通過調整和控制各電源模組的等效輸出電阻並保證相互之間的一致性，就能夠實現並聯均流的效果。但是，此方法會改變電源模組的電壓輸出調整率，但是各電源模組的開路輸出電壓並不相同，所以其均流效果不佳。

②主從均流方式。在並聯電源系統中，設定一個主控制器或者選擇某個電源模組作為主控制電源，該主控電源完成對電壓的調節控制，其輸出信號作為電流指令參考信號，用來控制其他電源模組的輸出電流。主從均流控制精度較高，但同時存在缺陷:當主電源模組或主控制器發生故障時，會導致整個系統奔潰或癱瘓，影響系統的可靠運行。