大功率电力电子器件

大功率电力电子器件（精选8篇）

大功率电力电子器件 第1篇

1 开关管开通过程插值建模

系统主电路如图1, 如图所示, IGBT与电力二极管为串联关系。

IGBT的开通过程如图2所示, 从上向下依次是IGBT的驱动信号图、电力二极管关断过程图和IGBT开通过程图。

式中, trr为电力二极管的反向恢复时间;kc为常数, 且0<kc<1。

1.1 延迟阶段

IGBT在此时仍然关断, 电力二极管开通, 因此ic=0, Ur=0。

1.2 上升阶段

查阅数据手册可得IGBT的电流上升时间tr (从ic幅值的10%上升到90%所用的时间) 和开通延迟时间ton (d) (从驱动电压uCE幅值的10%到IGBT集电极电流ic幅值的10%所用的时间) 的参数, 可以得到1 (on) 与ton (1) 、ton (2) 之间的关系为式 (3) 。

将 (3) 代入 (2) 有式 (4) 。

同理为常数, 表达式见 (1-5) 。

1.3 反向恢复阶段1

被二极管的反向恢复作用所影响, IGBT集电极电流ic变大至最大值I+Irm, 但是增长速度逐渐减慢, 同时二极管反向恢复电压从0增大到U。根据点4 (ton (2) , I) 和5 (ton (3) , I+Irm) 以及5点的导数为0, 对IGBT集电极电流进行二次函数插值建模, 如式 (6) 所示。

由二极管反向恢复电流最大值Irmn与额定电流IFN的相互联系可以得到式 (8) 。

为对 (6) 式的计算进行简化, 假设二极管的反向恢复电流最大值Irm与正向电流I也成kIRM的反比例关系, 如式 (9) 所示。

有:

根据6 (ton (2) , 0) 和7 (ton (3) , U) 对UR进行一次函数插值, 得式 (12) 。

k (on) 为常数, 表达式如 (13) 。

将式 (13) 代入式 (12) 得

ku (on) 为常数, 其表达式如式 (15) 所示。

1.4 反向恢复阶段2

此时, 由于iF减小, IGBT的集电极电流ic会从峰值I+Irm降到I, uCE变为0;同时, 二极管反向电压uR因为电路杂散电感感应出的反向电压和电源电压U的共同作用会产生电压尖峰。

由电流导数连续, 利用点5 (ton (3) , I+Irm) 、8 (ton (4) , I+Irm/2) 和9 (ton (5) , I) 在[ton (3) , ton (4) ]和[ton (4) , ton (5) ]两个时间范围内分别对ic进行二次函数插值, 点5和9的处的电流导数为0, 其中ton (4) 的表达式如式 (16) 所示。

则在[ton (3) , ton (4) ], ic的插值建模公式如式 (17) 所示。

其中i3 (on) 为常数, 其表达式如式 (18) 所示。

[ton (4) , ton (5) ]时, ic插值建模公式如 (19) 所示。

所以二极管反向电压uR如式 (20) 所示。

将式 (17) 代入式 (20) 得在[ton (3) , ton (4) ]范围内, uR如式 (21) 所示。

其中, ki (on) 为常数, 其表达式如式 (22) 所示。

同理, 式 (19) 代入式 (20) 得在[ton (4) , ton (5) ]时间范围uR内, 计算公式, 如 (23) 所示。

在ton (5) 之后, 二极管关断, IGBT工作在开通状态, 此时uR=U, ic=I。

2 开关管关断过程插值建模

如图3为IGBT的关断过程。当t=toff (0) 时, IGBT逐渐进入关断过程, 电力二极管开始开通。IGBT的关断过程一般被分为3个阶段:延迟阶段[toff (0) , toff (1) ]、电压上升阶段[toff (1) , toff (2) ]和电流下降阶段[toff (2) , toff (4) ]。

其中toff (d) 为大功率电力电子器件的关断延迟时间 (由驱动电压uCE幅值的90%到IGBT集电极电流ic幅值的90%的时间) , 可查阅器件数据手册获得此关键参数;kd为常数, 且0<kd<1。

(1) 延迟阶段。

与开通延迟阶段情况相似, IGBT并未立即关闭;且电力二极管并未立即关断, 故ic=R, uR=U。

(2) 电压上升阶段。

该阶段IGBT的集射极电压uCE从0变化到U;IGBT ic保持恒定, 即ic=I;uR从幅值U变小到0, 依然关断。根据点1 (toff (1) , U) 和电2 (toff (2) , 0) 二极管反向电压uR进行一次函数插值, 得到的计算式如 (25) 所示。

其中ku (off) 为常数, 如式 (26) 。

(3) 电流下降阶段。

该阶段ic是从I变小0, 二极管电流iF渐渐增大, 根据电流导数连续对ic进行在[toff (3) , toff (4) ]和[toff (2) , toff (3) ]时间阶段上的二次函数插值。

[toff (3) , toff (4) ]时, 与IGBT开通过程的集电极电流ic上升阶段相类似, ic如式 (27) 所示。

在[toff (2) , toff (3) ]阶段, 根据3 (toff (2) , I) 和点4 (toff (3) , 0.9I) 及点4导数与在[toff (3) , toff (4) ]相等对IGBT集电极电流ic进行二次函数插值, 其表达式如式 (28) 所示。

Toff (4) 之后的时间, IGBT完全处于关断, 电力二极管开通, ic=0, uR。

3 实验验证

将所得模型在FPGA中进行离散化后, 接入硬件在环仿真系统中, 得图4和图5分别为IGBT开通和关断电压波形, 图6和7分别为IGBT开通和关断电流波形。

由实验结果可得, 该仿真模型很好地反映了大功率电力电子器件在工作过程中的电流电压尖峰脉冲, 模型仿真精度高。

4 结语

通过插值建模建立了一种能反映大功率电力电子器件工作过程中电压电流尖峰的仿真模型, 分别对大功率电力电子器件的开通过程和关断过程进行插值建模, 将每个过程分为数个阶段, 通过查阅器件手册获得关键参数, 计算得到暂态电压和电流表达式。实验结果表明, 该模型成功地反映处大功率电力电子器件开通关断暂态电压电流波形的变化过程, 有效地提高了仿真精度。

参考文献

[1]Kuon I, Rose J.Measuring the Gap Between FPGAs and ASICs[J].IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 2007, 26 (2) :203-215.

[2]付志红, 马静, 谢品芳, 陈清礼.基于高速数字信号平台的实时仿真技术[J]上海译文出版社, 1979.

[3]于克训, 任章鳌, 娄振袖, 潘垣.新型高压大功率器件IGCT的建模与仿真[J].湖北工业大学学报.2010, 25 (1) :89-94.

[4]王国栋, 马晓军, 袁东, 杨怀彬.基于FPGA+DSP的双核控制器硬件设计[J].2015, 40 (4) :165-172.

[5]王杰, 王诚, 谢龙汉.Xilinx FPGA/CPLD设计手册[M].北京:人民邮电出版社, 2011.

[6]付永庆.VHDL语言及其应用[M].北京:高等教育出版社, 2005.

[7]DAC5652技术手册[S].www.ti.com.

[8]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础 (第四版) [M].北京:高等教育出版社, 2006.

大功率电力电子器件 第2篇

在中国科学院近代物理研究所自行研制的大功率电子加速器上,研究了不同辐照剂量的电子束对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和变形杆菌3种微生物的.杀灭效果,同时检测了辐照后菌体超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化.结果显示:辐照剂量达到2.0 kGy时,可完全杀灭金黄色葡萄球菌,2.2 kGy时可完全杀灭大肠杆菌和变形杆菌;辐照对3种微生物的SOD活性有较显著的影响.

作 者：武振华 张红 赵卫平薛林贵 陈继栋 陆锡宏 张子民 WU Zhen-hua ZHANG Hong ZHAO Wei-ping XUE Lin-gui CHEN Ji-dong LU Xi-hong ZHANG Zi-min 作者单位：武振华,张红,赵卫平,陈继栋,WU Zhen-hua,ZHANG Hong,ZHAO Wei-ping,CHEN Ji-dong(中国科学院近代物理研究所,甘肃,兰州,730000;甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室,甘肃,兰州,730000)

薛林贵,XUE Lin-gui(兰州交通大学化学与生物工程学院,甘肃,兰州,730070)

陆锡宏,张子民,LU Xi-hong,ZHANG Zi-min(中国科学院近代物理研究所,甘肃,兰州,730000)

大功率电力电子器件 第3篇

中国工程院院士丁荣军介绍,IGBT芯片技术从6英寸发展到8英寸不仅是量上的变化,更是“质”的飞跃,其突破了新颖的元胞与保护环设计、高能质子掺杂、芯片铜金属化工艺等关键技术,使芯片负载提高了50%,材料成本下降了20%,并改变了原有芯片生产模式。

由中国南车株洲所研制的这枚IGBT芯片,切面为圆形,布满128个小芯片,每块小芯片只有指甲盖大小,厚度仅两根头发丝,其内部包含了6万个以上被称为“元胞”的基本单元,可在数千伏高压下、约1秒时间内实现数万次电流开关动作,将风能、太阳能等不稳定的能源输入转换为稳定的电流输出。

IGBT,全称绝缘栅双极型晶体管,是用于电能转换和控制的核心器件,被誉为电力电子行业的“心脏”和现代变流工业“皇冠上的明珠”。现代电子技术发展至今,产生了两个分支,一是以向微型化发展的信息电子技术,以CPU为代表;二是向大功率发展的电力电子技术,以IGBT等为代表。长期以来,我国IGBT芯片及相关产品99%以上依赖进口。

大功率电力电子器件 第4篇

1 配电系统中谐波与无功功率概述

对配电系统中的水泵异步电机和荧光灯与支撑计算机系统运行等负载进行分析可知, 其必须消耗系统产生的无功功率方能实现正常工作。但变频器、整流器等电力电子装置通常采用的是相控方式工作的, 这种控制方式使得此类设备的交流侧电压常滞后于系统运行电压, 其不仅会消耗大量的无功功率, 而且在运行的同时还会产生谐波电流, 从而影响电力系统的正常运行。给出有功功率P、无功功率Q和视在功率S三者的关系式:

其中, P为系统瞬时功率在单位周波中积分得平均值, 即系统交流平均功率, S为各类电器设备的最大可利用容量, 具体来说就是电压U和电流I的有效值乘积, 分别由设备的绝缘性和导线横截面积决定;Q表示具备储能性质的电气元件功率交换的幅度, 通常单相电路功率互换大都发生在储能设备和电源中, 而三相电路功率互换则以在具有储能性质的三相设备中的往复流动为主, 需要说明的是任意时刻内, 三相无功功率的和恒定为零。

2 无功功率和谐波对电力系统的影响

2.1 无功功率对电力系统的影响

(1) 无功功率的加将会使得供电设备的视在功率S增加, 同时, 也会引发启动设备、控制设备和仪表等测量设备的尺寸与规格扩增;

(2) 无功功率的增加必将使得电力系统设备与线路损耗更加严重, 缩短电气设备寿命;

(3) 无功功率增加将会引发变压器与线路压降的扩大, 从而使电网电压产生剧烈波动, 影响电力系统的稳定性。

2.2 谐波的主要危害

(1) 变频器和整流器等所产生的谐波将引起电气设备附加谐波的损耗, 同时, 使得供配电设备的工作效率下降;

(2) 谐波对各类电气设备的影响也较为严重, 例如, 引起系统的过电流和过电压, 从而增加变压器的负担, 引发电缆过热和绝缘装置老化;

(3) 谐波的另一危害体现在对公用电网的影响上, 由于电网中的电流大都是以正弦的形式存在的, 而谐波的产生会导致非正弦电流电路的功率因数增加, 从而在电场中产生非正弦电流, 导致公用电网的局部谐波被进一步放大, 甚至将会导致串、并联谐振, 增加电力设备的安全风险。

3 电子电力技术的应用现状

由于电子电力技术在无功功率补偿和谐波抑制方面具有较为鲜明的作用, 故对电子电力技术的应用情况进行了解是极为必要的。

3.1 高压直流输电技术——HVDC

此项技术对容量较大且距离较远的电力传输工作而言具有较强的优越性。由于在输电过程中, 基于HVDC技术输电时产生的电能损耗要远低于以传统交流输电技术为主所产生的电能损耗, 且HVDC在支持电力传输时所需的传输线缆更少, 在减少占地的同时, 也省去了传统交直流输电转化所需的特殊设备, 故而在远距离传输时具备良好的经济性。现阶段, 全球HVDC工程拥有50 余个, 技术支持的总设备容量达到了3.6×104MW, 考虑到我国的地域辽阔且能源分布不均等情况, 加大对HCDC技术的研发和投入力度极为必要。

3.2 静止无功补偿器——SVC

将以晶闸管为基础元件的固态开关取代原有的机械开关, 通过对抗电器与电容器进行控制, 从而实现快速且频繁地对输电系统导纳功能进行改变的目的。通常, SVC由固定或可变电容器支路同系统中的可控支路并联组成, 分为TCR、TCT以及TSC和SSR四种类型, 其中, TCR型SVC的反应速度最快, 可达5-20ms, 且不仅运行可靠, 而且在分相调节和价格与使用范围方面也具有较大的优势。目前, 全球已拥有220 余套配置SVC的输配电系统, 总容量已达到3.5×104var, 随着SVR优势的进一步普及, 其在输配电领域和工业用电方面必将得到全面的发展和推广。

4 无功功率补偿与谐波抑制现状

电力系统中的无功功率补偿方法主要包括了同步发电机、调相机、电动机的引用补偿和并联电容器与SVC补偿, 由于多数工程供电系统中, 阻感性负载占据绝大部分, 使得总等效负载呈现感性, 故而可采用并联电容器的方式对无功功率进行补偿, 从而提高功率因数。根据电容器在系统中安装位置的差异, 其并联补偿方式主要包括以下几种:

(1) 将电容器组集中安置在电源母线上, 从整体上提高变电装置的功率因数, 降低馈出线路的无功损耗。

(2) 分区补偿。在功率因数较低区域的母线上分别装置电容器组, 以此来增强无功功率补偿的效果, 但缺点是同集中补偿相比, 分区补偿的范围有所减小。

(3) 就地补偿。对异步电动机等感性设备进行功率补偿时, 将电容器组安置在负载设备周边进行无功补偿, 在提高用电设备在供电回路功率因数的同时, 改善用电设备的电压质量。

供电系统谐波抑制的方式主要有两种, 一种是利用无缘LC滤波器或是有源电力滤波器对系统运行过程中所产生的谐波进行过滤;另一种是对谐波源进行改造, 例如将变流器的相数提高或更换具有较高功率因数的整流器等。其中, LC无源滤波器抑制谐波的方法较为常见, 采用电力电容器以及电抗器电阻对具备某一特征的次谐波进行抑制, 在次谐波频率下滤波器的逐鹿进行串联谐振, 同时, 写成具有较低阻抗的通路, 从而使次谐波电流尽可能少地流入到电网当中, 最大限度地降低谐波对电网的影响。

5 结论

本文通过对配电系统中的谐波和无功功率产生的原因进行分析, 在结合无功功率以及谐波对电力系统影响的基础上, 从电子电力技术应用现状的角度出发, 提出了无功功率补偿和谐波抑制的相关方法。可见, 未来加强对电子电力技术以及无功功率补偿与谐波抑制方法的研究和应用力度, 对于促进电力产业的健康、稳定发展具有重要的现实意义。

摘要：为了进一步提高电力系统的稳定性, 确保电力输送的高效性, 本文通过对配电系统中谐波和无功功率进行简要分析, 在结合无功功率与谐波对电力系统影响的基础上, 对电子电力技术以及无功功率补偿和谐波抑制的现状展开了详细的论述和分析, 从而指出有源与无源滤波器可通过结合的方式对谐波进行抑制, 从而提高电力系统的可靠性。

关键词：电力电子技术,谐波抑制,无功功率

参考文献

[1]李志远.无功补偿装置SVG技术研究及应用[J].科技风, 2014, 10 (12) :70.

[2]张生龙.浅谈电力系统中无功补偿的重要性和其主要方式[J].科技创新导报, 2014, 02 (23) :76-77.

大功率电力电子器件 第5篇

如何降低网损, 提高电力系统的输电效率, 保证电力系统的经济运行是电力系统面临的实际问题, 也是电力系统研究的主要方向之一。目前, 由于各种新型的电力电子整流装置的投入使用使电网无功功率大量增加, 最终导致功率因数的下降, 网损增加, 因此, 进行无功功率补偿, 提高输电效率, 势在必行[1]。

1、控制系统总体框图

基于M C R的无功电压综合补偿控制装置采集两路电压、电流信号, 根据两表法计算系统的有功功率及无功功率, 快速跟踪电压及无功功率的变化, 动态地调节各相投入的补偿电抗, 调节无功及电压。即:根据检测量自动调整M C R的各相电抗的大小和相应的晶闸管触发延迟角, 自动调节投入各相的补偿电抗[2,3]。控制装置主要需要以下八部分电路:

(1) 数据采集电路检测负载的电压和电流。

(2) 同步信号检测电路获取三相同步信号。

(3) 控制电路根据相应的策略, 对检测信号进行计算, 给出控制信号。

(4) 晶闸管控制电路根据控制电路输出的控制信号产生相应的晶闸管触发脉冲。

(5) 键盘、显示电路通过键盘控制显示当前电抗器投入角度、电流值、有功功率、无功功率等。故障时显示出错信息。

(6) 开关量输入电路将表征有载变压器分接头位置的数字量输入至单片机。

(7) 开关量输出电路将由控制策略所得的控制量以开关量的形式输出到外部控制电路中去, 以控制变压器分接头的升降, 达到无功电压综合补偿的目的。

(8) 通信电路根据实际需要, 采集各个装置的运行参数, 实现电力系统的集中控制。

整个控制系统框图如图1所示。

2、硬件电路设计

2.1 控制电路

控制电路的核心是单片机, 系统的采集、控制、通信等任务都是通过单片机来管理和协调的, 单片机的选择非常重要[4]。选用Intel公司的80C196KC单片机。

2.2 数据采集电路

数据采集系统的任务, 就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号, 然后送入计算机, 根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理, 得出所需的数据。

2.3 同步信号检测

同步信号是整个电路的时基, 所有的计算都依赖该信号来对时, 一旦同步出错图1控制装置框图整个运行就会出错。

2.4 晶闸管控制电路

本系统用80C196KC单片机的高速输出口HSO来产生触发晶闸管的驱动信号。

2.5 键盘和显示电路

为实现人机对话, 提供一个控制操作平台, 通过操作台显示现场参数, 在本控制器中包含显示键盘电路。

2.6 开关量输入/输出电路

CPU在测得变电站二次侧电压和无功后, 参照变电站当前运行情况, 综合考虑变电站当前的运行方式、运行参数、分接头位置和各组电抗器投切状态及负载情况等诸多因素, 采用一定控制策略进行判决。然后将获得的最优控制以数字量的形式向外部控制电路输出去控制变压器分接头的升、降, 达到控制变电站无功和电压的目的[5]。

2.7 通信电路

为便于控制器与P C机通信, 选用M A X 2 3 2 E作为通讯接口芯片, 可减少元件数量, 提高集成度。

3、基于MCR的无功电压综合补偿的实验验证

下面是基于M C R的无功电压综合补偿的实验电路, 如图2所示。

从图2可知, 电源通过电感给可控电抗器和电容提供无功。电容通过调压器接入可控电抗器两端。通过调节调压器变比来改变电容负载的无功功率消耗, 然后观测电抗器投入运行状况及其两端电压的变化来检验其补偿无功功率及调节电压的能力。实验结果见表1几组数据。结果表明, 投入可控电抗器控制装置后基本上能够很好的保持可控电抗器两端电压的稳定。特别需要说明的是, 在最后一组实验中, 电容负荷太大, 消耗无功功率超出了可控电抗器工作范围, 此时电压仅能回落到225.1V, 对应的晶闸管触发角为设定的极限2°。但是, 在这种恶劣的工作条件下, 可控电抗器还是起到了补偿无功功率和改善电压的作用。几组实验证明了可控电抗器在实际中, 具有无功功率补偿和维持电压稳定的作用。

4、小结

本文对晶闸管可控电抗器补偿无功功率的电子电力系统的硬件部分进行了设计, 并进行了简单的实验验证, 从而进一步证明了晶闸管可控电抗器补偿无功功率的可行性, 对实际工作有着实际的意义。

摘要：本文研究的基点是电力系统可控电抗器无功功率补偿技术。对晶闸管可控电抗器补偿无功功率电子电力系统的硬件进行了设计, 且进行了基于MCR的无功电压综合补偿的实验验证。

关键词：电子电力系统,可控电抗器,无功功率补偿

参考文献

[1]李天然.蔡敬义.电力电子用广电力系统无功补偿技术综述. 江苏电器.2003, 2

[2]王正风.徐光勇.浅谈电力系统的无功优化和无功补偿.电力电容器. 2002, 3

[3]唐新龙.谈顺涛.张建华等.电力电子技术在电力系统无功补偿方面的应用.2003, 23 (2)

[4]簪亚波. 单片机无功补偿控制器的设计.电测与仪表仪表.2001, 5:8-11

舰船电力推进大功率变频器分析 第6篇

与传统机械推进形式相比, 现代化电力推进技术在舰船上的使用具有以下优越性:

(1) 有利于舰船动力装置配置。传统舰船轴系的长度是舰船全场的38%左右, 设计舰船的长度时必须综合考虑推进装置轴系的布置状况, 这在一定程度上限制了舰船的总体设计。现代化电力推进技术不需要构成长轴系, 可以独立布置柴油机、燃气轮机等原动机组装置, 这在一定程度上减小了传统机械推进形式中舰船总体设计受限制的弊端;

(2) 电力推进形式可以自由选择合适的螺旋桨, 合理控制附加在舰船上的阻力;

(3) 电力推进技术与传统机械推进形式相比可以减少舰船上原动机组配备的数量, 节省原动机占用的空间的同时, 还能为后期维修施工提供便利;

(4) 电力推进可以选择任一形式的推进电机和发电机组;

(5) 电力推进技术还有利于电网电力供应, 综合使用电力推进技术后, 不仅可以提高螺旋桨的使用效率, 还能提高舰船的隐形功能, 减低舰船研制费用的同时, 还能为舰船的顺利建造打下坚实的基础。

二、舰船大功率变频器的特点

舰船大功率变频器的特点主要表现在以下方面:

(1) 多项逆变电路。多项逆变技术的主要应用对象是驱动舰船常用的多相电机, 这种形式下的推进变频器通常以“H”桥式逆变电路为主, 主要目的是向多项推进电机供电。“H”桥式逆变电路结构如下图1所示。多项逆变电路与三相电机调速系统相比具有更多可以控制的资源和潜能;可以采用低压功率器件实现大功率;多项逆变电路还能减小转矩脉动的幅度, 采用频率较低的方波电压供电;减少转系谐波损耗量;提高驱动系统的可靠性和安全性等;

(2) 多脉波整流。多脉波整流是舰船大功率变频器的主要特点之一, 无论使用哪种形式的变频器均会产生谐波电流, 谐波电流对电网有严重的污染作用, 舰船建造规范有严格规定, 电网电压畸变率必须控制在5%以内, 因此, 设计人员必须对舰船电力推进大功率变频器进行深入地分析和探讨。

三、舰船电力推进大功率变频器控制和制动的方法

(一) 舰船电力推进大功率变频控制的方法

舰船电力推进大功率变频器控制的方法有很多种, 常用的方法有矢量控制、直接转矩控制以及矩阵式交-交控制和异步电动机职能控制等。其中, 磁场定向矢量控制和直接转矩控制的效益最明显。磁场定向控制系统的原理以直流电机电枢电流与磁通为依据, 并以此作为控制转矩特性的主要手段, 从而达到直流电机满足转矩和磁通的控制需求。

直接转矩控制技术以定子磁场定向和空间电压矢量的分析方法为主要手段, 同时在定子坐标中计算和控制交流电动机, 从而实现转矩和定子磁链之间的连接。直接转矩控制技术以离散的两点式调节为主, 顺利生成PWM信号后, 可以对逆变器的开关状态进行有效地控制, 从而获取转矩的高动态性能。矢量控制法和直接转矩控制法均具有自身的优点和不足。

1矢量控制法

(1) 矢量控制的优点有:

(1) 调速范围非常大, 可以有效开展恒转矩调节, 无论是低速还是高速控制其性能都可以保持不变;

(2) 可以通过模型解耦控制提高调速的精确度;

(3) 具有连贯性的低速特性, 低速运转的过程中仍可以进行大转矩。

(2) 矢量控制的缺点有:

(1) 很难观测到精准的转子磁链结果;

(2) 以电子模型和参数为主要依据, 矢量控制的性能与电动机的实际参数之间存在必然的联系;

(3) 如果需要模拟直流电动机的控制方式, 矢量控制中变换计算十分复杂、控制内容十分繁琐。

2直接转矩控制

(1) 直接转矩控制的优势表现在:

(1) 直接转矩控制具有较高的性能。直接转矩控制的主要对象是电动机定子侧的参数, 控制效果与转子回路参数没有直接关系;

(2) 直接转矩控制计算十分简单。实际运算过程不需要在旋转坐标中对定子电流进行分解或者设定合理的定子电流, 在简化信号处理过程的同时, 还能有效提高运算速度;

(3) 控制结构十分简单;

(4) 精度高, 具有较快的响应速度。

(2) 直接转矩控制的缺点主要有:

(1) 必须采用转矩滞环调节转矩;

(2) 定子电阻与温度有直接关系, 导致转矩观测器的计算存在偏差;

(3) 低速运转时, 逆变器开关频率处于较低状态。

(二) 舰船电力推进大功率变频器制动方法

舰船运行的实际特点直接决定了电力推进电机的速度。也就是说, 推进电机在急减速、停机和倒车等状态下必须进行制动操作。目前, 运用频率最高的变频器制动方法主要有回馈能耗制动和能量回馈电网制动两种方法。回馈能耗制动以直流侧加制动单元和制动电阻为主要依据, 将其构成推进电机制动能量的泄放回路, 从而满足制动的要求。这种方法具有结构简单、可靠性高、实施难度低一级技术较成熟等特点。

能量回馈电网制动以整流侧并联逆变电路为主, 可以之力利用PWM整流满足制动能量向交流电网反馈的实际需求。能量回馈电网制动具有双向流动、节约资源、对电网污染小以及性能高等特点, 在舰船电力推进大功率变频器的使用过程中发挥着重要的作用。

结语

功率电子器件在舰船上使用, 功率电子技术在改变舰船能量变换形式的同时, 还能使舰船电力推进上的某些缺点得到有效地改善。近几年, 世界上又出现了大量电力推进的舰船, 这些舰船上的电力推进装置大部分配备了现代化的功率电子变换设备, 还有的配备了永磁电机, 为提高舰船运行的安全性和可靠性, 研究人员必须对舰船电力推进大功率变频器的使用进行有效分析。

摘要：电力推进技术与传统的机械式推进形式相比具有噪音污染小、机动性好以及经济实惠和可靠性高等特点。随着电动机结构的优化和工艺技术的改进, 舰船逐渐采用电力推进方式代替传统的机械式推进方式, 为提高舰船运行的安全性和可靠性提供了动力保障。下文从舰船电力推进技术的优越性着手, 对舰船电力推进大功率变频器控制和制动的方法做了简单介绍。

关键词：舰船,电力推进,大功率,变频器

参考文献

[1]李勇.舰船电力推进大功率变频器分析[J].中国航海, 2011, (02) :41-45.

浅析大功率电力装置过电压保护技术 第7篇

随着电力行业的不断发展,电气设备的使用备受关注,做好电力系统的过电压保护十分重要。在电力系统装置运行过程中,会受到电压的破坏,这种过电压容易导致设备中断,从而引发停电事故,降低了设备的寿命。为此,我们要不断加强电力系统高压装置的过电压保护措施,确保电力设备的安全性。下面我们首先来了解一下电气设备的过电压保护,然后再来重点探讨电力系统高压装置的过电压保护措施。

1 概述

电力设备在运行过程中,会受到一定的过电压干扰,所谓过电压指的是电压异常升高的现象,是电磁扰动的一种表现。造成这种过电压干扰的原因有许多种,主要分为两大类,一类是外部的雷电电压,另一类是内部过电压。其中雷电电压主要是大气雷云放电所致,这种过电压又可以分为感应雷过电压和直击雷过电压两种。一般来说,雷电过电压的持续性比较短,在发生感应雷过电压时,雷闪击到电力装置的附近,在放电过程中,电磁场的变化使得电力装置受到干扰,从而产生过电压反应。而直击雷过电压则是指雷电直接击中电力设备,对电力装置的绝缘性造成了破坏,从而导致了接地故障的发生,引发过电压反应。

内部过电压主要是在电力装置使用过程中,由于运行方式发生变化而导致的,通常将其分为操作过电压、谐振过电压及暂态过电压三种。其中操作过电压主要是在断路器操作过程中,由于操作不当或者短路的发生而导致,这种过电压又包括切除空载线路过电压、弧光接地过电压等。谐振过电压主要是在电力系统中,电感、电容等元件与电源频率发生谐振而产生的过电压问题,主要包括铁磁谐振过电压、线性谐振过电压等。最后,暂态过电压主要是由于短路故障、操作不断给等原因引起的暂时性过电压,主要包括不对称短路接地、甩负荷过电压等。

2 大功率电力装置过电压保护技术的相关探讨

大功率电力装置包括静止无功补偿装置、晶匣管控制串联补偿装置等,这些装置具有连续性强、速度快等优点,在电力系统中的应用十分广泛。针对这些电力装置,我们一定要做好过电压保护。而在进行电力装置过电压保护时,需要用到排气式避雷器、保护间隙及无间隙氧化锌避雷器等。其中保护间隙受外界条件的影响比较大,而无间隙氧化锌避雷器应用比较广泛,具有稳定性强、实用性强等优点,下面我们来分别了解一下几种主要的大功率电力装置过电压保护措施

2.1 无间隙氧化锌避雷器

在大功率电力装置的两端,我们可以运用无间隙氧化锌避雷器,也可称为无间隙MOV,将避雷器放置在需要保护的设备两端,然后运用无间隙氧化锌避雷器将过电压消耗掉,从而达到保护电力装置的目的。目前,在高压直流输电的换流站之中,包括交流滤波器、换流单元、平波电抗器等,这些设置都可以运用无间隙氧化锌避雷器进行过电压保护。除此之外,在静止无功补偿装置中,晶闸管阀也可以运用该种设备进行保护。为了避免晶闸管被触动,在晶闸管阀设计的过程中,要注意将其导通时的氧化锌避雷器电流切换到最大。MOV电流要按照计算来确定,与此同时,还要将触发时刻的过电压计算到其中。

2.2 晶体管阀构成的保护措施

在静止无功补偿装置中,我们可以通过改变晶匣管阀导通角度的方式来进行过电压保护,也就是运用保护性触发动作,通过电感负荷来控制电压。晶匣管保护串联电容器装置简称为TPSC,在TPSC的使用过程中,晶匣管阀与同低电抗的L串联及低品质因数共同组成了保护支路,具体线路如图 -1所示。在TPSC使用过程中,我们需要将检测线路划分成了两类故障,一类是区外故障,另一类是区内故障。一旦发生区外故障时,大部分故障电流从图中L处经过,从而控制了C段的电压。而发生区内故障时,不仅L路线会触发导通,晶匣管阀也会触发导通,会出现BPS处合闸现象。

2.3 氧化锌避雷器与晶体管阀的有效结合

在大功率电力装置运行过程中,过电压保护可以将上述的氧化锌避雷器和晶体管阀有效的结合在一起,形成更有利的保护措施。图 -2是为晶匣管控制串联电容器装置的线路图,图中VS也就是指晶匣管阀,而C则为串联电容器,BPS则是指旁路断路器,L便是指相控电抗,D便是阻尼电路。在故障发生的时候,氧化锌避雷器在电容器的两端进行并联,氧化锌避雷器是用来限制电容器充电电压的。当控制器检测到线路电流、MOV温度等任意一项超过设定的数值时,需要我们将控制器切换到TPSC的工作模式中。故障电流一般都是从阀支路流过,可以保护好氧化锌避雷器和MOV。但是,由于在较长的一段时间内,控制器一般在TPSC命令发出的同时,也发出了BPS断路器的命令。而断路器的合闸速度相对较慢一些,在晶匣管阀50~100ms后,断路器将会把BPS旁路断路器进行合闸。

3 总结

综上所述,目前,大功率电力装置有了很大的发展,其应用领域越来越广泛。但是,在电力装置的运行过程中,会遇到过电压干扰,主要来自内部电气干扰和雷电过电压干扰,其中雷电引起的过电压对电力装置的破坏性较强。在抗过电压干扰的设备中,比较常用的是氧化锌避雷器、无间隙MOV等设备。在这些过电压保护设备的使用过程中,各有各的特点,需要我们合理的进行选择,不断提高大功率电力装置的保护水平。

摘要：在电力系统中,大功率电力装置的应用越来越广泛,高压装置的过电压保护变得更为重要。过电压对电气设备有严重的破坏性,一旦长期受到过电压侵扰,就会阻碍电力系统的正常运行。目前,在大功率电力装置使用过程中,采取的过电压保护设备包括排气式避雷器、无间隙氧化锌避雷器等。文章中对电力装置过电压保护进行了介绍,并对重要的过电压保护设备进行了相关探讨,以供参考。

大功率电力电子器件 第8篇

ETH型机车是南车株洲电力机车有限公司利用和谐系列大功率电力机车研发平台, 为埃塞俄比亚量身定制的大功率 (7 200 k W) 交流传动电力机车。根据机车运行的环境, 车体进行了针对性的技术改造。作为出口产品, 为了提升司乘环境的档次及舒适性, 司机室内装板采用铝合金材质, 以替换以往车型使用的玻璃钢, 并充分考虑人机工程学, 进行了大量的人性化设计。该型机车细分为货运和客运两种机车, 为了缩短产品设计、生产周期, 降低成本, 车体采用了大量的简统化设计。本文以货运机车为主体对ETH型机车车体设计进行分析。

1 主要技术参数及结构特点

1.1 主要技术参数

ETH型机车需要承受3 000 k N的纵向压缩载荷和2 500k N的纵向拉伸载荷, 车体作为机车的主要承载部件, 采用双司机室中央走廊的箱型整体式承载结构。其构成部件主要有底架、司机室、侧墙焊接为一体的箱型结构以及顶盖、牵引缓冲装置、排障器、前窗玻璃、等附属安装件 (图1所示) 。根据用户要求、设备布置、通过单曲线及S曲线等各项要求, 确定车体的主要技术参数如下。

前后车钩中心距/mm 22 670

车体宽度/mm 3 100

车体顶盖距轨面高度/mm 4 040

车钩中心线距轨面高度/mm 880±10

车体底架上平面距轨面高度/mm 1 600

1.2 底架结构

底架是车体的主要承载构件, 不仅要传递机车纵向的牵引力和制动力, 还要承受机车运行过程中横向振动等各种复杂的运动力。因此, 底架的设计需分配较大的重量比重, 以满足对其静强度、刚度以及疲劳性能的要求。该车型底架采用的是模块化设计, 主要由牵引梁模块、侧梁模块、枕梁模块、变压器梁模块构成, 如图2所示, 整体呈带贯穿式中央纵梁的框架式结构。该结构能有效地将底架所承受的载荷沿着侧梁和中央纵梁进行分流。

1车钩缓冲装置;2脚踏;3排障器;4前窗玻璃;5司机室;6底架;7侧墙;8顶盖

1牵引梁;2侧梁;3枕梁;4中央纵梁;5变压器梁

牵引梁由车钩箱、盖板、端板、中央纵梁和支撑板构成的空腹箱型结构, 位于底架两端, 传递牵引力、承受制动力与冲击载荷。在牵引梁的两侧设置有两个吊销孔, 用于单端起吊救援;同样, 两个侧梁各设置两个吊销孔用于起吊。侧梁长18 555 mm, 由于材料、工艺的限制, 分多段对接成型。其横截面如图3所示, 以压型的U型梁为载体, 在上设置多块横向的筋板, 然后与盖板组成箱型结构。横向的筋板能增加侧梁的抗扭能力和横向刚度;纵向设置的盖板增加了侧梁的强度, 有利于力的传递。在侧梁相关位置预留接口, 以方便枕梁、变压器梁等横向梁实现插入式焊接成型, 连接处设置圆弧过渡, 降低应力集中。底架作为关键的承载部件, 主要选用12~15 mm厚度的16 Mn DR材质钢板及其压型件焊接成型, 以保证底架的力学性能。

1 U型梁;2筋板;3盖板

1.3 司机室结构及内装

司机室作为驾驶员的工作场所, 其钢结构设计需要首先考虑承载能力及碰撞性能, 然后再满足瞭望、空间、外形等要求。

该车型司机室主要由前墙、左右侧墙、底盖、后墙组成。外形简洁明快, 视觉效果好, 但是为了保证蒙皮的焊接成型工艺, 在拐角处对线条进行了简化 (如图4所示) 。梁的布置充分考虑力流的顺利传递, 如司机室侧墙前部骨架、前窗上下梁均为较大的封闭、半封闭箱体结构, 且其截面的长边均布置为车体纵向方向。

司机室的内装采用的是铝板冲压成型, 相对于玻璃钢材质绿色环保。根据机车头形的既有条件, 司机室内装适当采用外形美观的曲面造型, 内装板不用铆钉安装, 尽量少用螺钉安装, 使司机室内部的整体装饰效果更好, 提升了司乘环境的档次。司机室前窗玻璃分为两块, 采用电加温玻璃, 玻璃首先粘接在方形铝框内, 然后再将装配好的窗框组件整体通过螺栓紧固在司机室钢结构上。与直接将前窗玻璃粘接在司机室钢结构的安装工艺相比, 该结构具有很好的互换性, 更换前窗玻璃时只需拆掉螺栓, 然后整体取下;避免了清除玻璃胶结剂的繁杂过程, 提高了可维护性, 大大缩短了维修工期。

1.4 侧墙结构

ETH型机车采用的双司机室结构, 左右侧墙除独立风道的安装框斜对成布置外, 其结构基本相对于车体纵向中心线互为对称。左右侧墙主要由上纵梁、下纵梁、立柱、斜立柱、窗框、纵梁和蒙皮等焊接而成, 其中上纵梁、下纵梁、斜立柱和窗框等构成了侧构的上弦梁部分 (如图5所示) 。侧构上的纵梁和立柱组成网架式承载结构, 同时其上弦梁部分与竖直面墙体呈一定的倾斜角度, 增加了侧构的强度、刚度及承载能力。上纵梁组成的顶部设有安装顶盖的T型槽导轨, 方便顶盖的安装。

1.5 顶盖结构

ETH型机车采用的是小顶盖的结构形式。由于两端司机室后墙的间距长达16 m, 为了降低成型工艺难度、方便吊装, 将顶盖分为四块。顶盖钢结构主要由骨架和盖板组成, 其中骨架是由外围各2根大的纵梁、横梁、密封槽及内部槽型横梁、小横梁、小纵梁等组焊而成的框架结构。顶盖骨架和蒙皮均采用3 mm厚钢板, 以段焊和角焊为主。另外, 根据车顶设备安装的需要, 各顶盖有选择性地焊接了受电弓、法兰、隔离开关等设备安装座以及人孔盖、吊耳、线槽、接地螺母、走道板等。设备安装座大多焊接在骨架的纵、横梁上。顶盖蒙皮上设有腰形孔, 通过螺栓与车体侧构上的T型槽导轨连接;各顶盖之间通过螺栓与连接横梁上的T型槽导轨连接。

1.6 排障器结构

排障器作为机车的一种排障装置, 属于可拆卸的独立结构, 位于车体司机室端底架的下方, 用来排除线路上的障碍物, 以保证列车行车安全。其组成主要由犁板、排障板、支撑板、造型板组成 (如图6所示) 。支撑板平行于机车行进方向, 与犁板垂直, 最大限度地提高排障器的承载能力;造型板上焊接右脚踏能方便机车联挂时工作人员站立;排障板与犁板之间焊接有齿形板, 增加了两板之间的啮合能力, 在保证了排障板可上下调节高度的同时, 消除了排障板在机车运行过程中的下沉现象。

1.7 其他附属部件

ETH型机车有客运和货运两种细分机车, 其车体结构基本相同, 但其车内设备布置存在一定差异。为了尽可能减少两种机车车体的差异性, 对机械间的设备安装座进行大量的简统化设计。例如货运机车压车铁采用T型螺栓连接, 安装方式与各屏柜设备安装方式相同, 因此, 货运机车该位置安装座可安装设备。另外, 司机室后墙上与顶盖连接的雨槽采用内陷设计, 增加了机械间设备的吊装空间。

为了满足机车不同运行工况对轴重的要求, 货运机车在机械间对称布置了4个2 000 kg的压车铁, 可实现轴重23 t与25 t的转换。压车铁采用铸造成型, 顶部设置多个吊装螺纹孔, 利用T型螺栓安装在设备安装座上。

车钩缓冲装置采用下作用式内燃、电力机车车钩和100 k J大容量缓冲器, 装有下作用式单侧手提杆。缓冲器和车体之间还设有变形元件以保护车体结构。变形元件安装在车钩缓冲器尾部和车钩箱后从板之间。变形元件通过发生塑性变形起变形吸能作用, 起到保护车体结构及车上设备的目的。

2 车体强度计算

为了确保车体结构强度设计满足机车运用及合同要求, ETH型机车车体根据EN12663、UIC 566等相关标准和合同的要求进行了静强度及疲劳强度计算。在车体结构有限元强度计算中, 车体结构自重和设备重量以质量形式在计算模型中考虑, 其它载荷根据载荷的作用方式分别以面载荷、线载荷和节点载荷的形式作用于相关位置。约束条件根据不同的载荷工况具体确定, 主要作用于二系弹簧上和车钩缓冲器的前/后从板座上。车体的主体结构离散为三维壳单元, 前/后从板座、减振器安装座离散为实体单元, 设备安装轨离散为三维梁单元, 设备重量离散为三维质量单元, 二系弹簧悬挂系统离散为三维弹簧单元。车体有限元计算模型有348 324个节点和347 789个单元组成。其中:三维壳单元276 077个、三维质量单元1 811个、实体单元67 722个、三维梁单元1 099个和三维弹簧单元1 080个。在承受较大垂向载荷的枕梁支撑区域采用实体单元。车体底架制造材料为16 Mn DR, 车体司机室制造材料为Q345B, 侧墙制造材料为Q345B。整个车体使用结构钢的最小屈服强度为255 MPa。

根据标准DIN EN 12663的规定, 车体在所有静载荷工况的载荷作用下, 车体的应力均要求达到1.15的安全系数。根据相关标准和技术规范, 共计算了3 000 k N纵向压缩载荷工况、2 500 k N纵向拉伸载荷工况等22种工况, 计算结果均满足要求。图7、图8分别为压缩、拉伸工况下的车体应力分布。

3 结语

ETH型机车作为出口埃塞俄比亚的客/货运机车, 车体强度静压力达到3 000 k N, 拉伸力达到2 500 k N, 采用的是整体式承载, 在尽量简化结构的同时, 强度满足合同要求, 同时也进行了大量简统化设计。因此, 该车体能够满足使用要求, 其设计是成功的。

摘要：介绍了ETH型电力机车车体的结构形式、主要技术参数, 并对车体的简统化设计、结构强度计算进行了简要分析和总结。

关键词：ETH型机车,车体,结构、强度

参考文献

[1]徐德山, 柳占宇.HXD3型交流传动电力机车车体[J].机车车辆通讯, 2007 (3) .

[2]金希红, 我国重载电力机车车体设计及技术发展[J].电力机车与城轨车辆, 2009 (1) .

[3]杨相健, 曾燕军, 和谐HXD1型大功率交流电力机车车体[J].电力机车与城轨车辆, 2007 (1) .