智能电网之能量转换、效率提升与分配技术汇总

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1、重庆理工大学文献翻译二级学院电子信息与自动化班级109070404学生姓名匡高升学号10907990807译文要求1、译文内容必须与课题（或专业）内容相关，并需注明详细出处。2、外文翻译译文不少于2000字；外文参考资料阅读量至少3篇（相当于10万外文字符以上）。3、译文原文（或复印件）应附在译文后备查。译文评阅导师评语（应根据学校“译文要求”，对学生外文翻译的准确性、翻译数量以及译文的文字表述情况等作具体的评价）指导教师：第11章换流器和换流器系统的其他应用11.1工业应用电力电子器件换流器和换流器系统在工业上有各种各样的应用(Motorola，1991，1993)，其中以电能为动力的电力电

2、子换流器件在工业上的应用最为广泛。电力工程技术是一种利用电能实现特定功能的技术，相比于其他能源，利用电能的优点如下：减少总成本和能源的基本投资、减少技术过渡时间、减少有害物质排放和改善员工的工作环境等。金属熔化一般利用煤或天然气燃烧加热炉膛，是根据热量转化准则使金属熔化。随着电力电子换流器的发展，高频感应加热方法(HFIH)在熔化金属方面的应用日渐广泛。除了在用在熔化金属方面，HFIH还被应用在物体表面加固、延展、锻造、热印等。1831年，MichaelFaraday(17911867)发现了电磁感应定律。电磁感应定律适用于所有利用感应加热(IH)的系统。电磁感应是当一个闭合回路的电流发生变化

3、的时候，在和它相近的另一个闭合回路中产生感应电流的现象，其中一个闭合电路的交流电流发生变化引起另一个回路的磁场发生变化，这也是感应加热的基本原理，是法拉第电磁感应定律的一种运用方式。电力加热系统利用电磁感应中出现的热损失对物质进行加热。感应加热能在较短昀时间里产生很大的能量，所以在感应加热中，和加热设备的任何物理联系都可能引发电力灾难。感应加热利用了电磁感应、表面效应、热传递等物理原理。整个过程可以概括成：将导体放入通有交流电流的感应线圈中，交流电流周期性的变化会引起周围磁场的变化，导体中就会产生感应电流和涡流，这两者在导体表面产生的热能就是感应加热中能量的来源。1H的原理如图11.1所示。l

4、是感应线圈，流着高频交流电流。2是铁芯，用来缠绕感应线圈，放在感应线圈的中间。这个系统类似于变压器模型，其中次级线圈中流的电流是I2。图11.2所示的材料中的电流密度遵循指数规律变化，变化公式为：圈11.11H工作原理示意图ift血cur圈11.2感应器系统详情圈及其等价模型（11-1）式中，l0表示表面电流大小；lx表示距离表面X处的电流大小；d0=代表和导体材料的物理特性以及电流频率有关的常数，其表达如下：(11-2)式中，代表表金属材料的电阻率；k代表相关系数：J代表金属磁导率：w代表角频率。如图11.3所示，金属线圈中流过的电流IX与线圈中流过的有功功率相关，正是这个功率加热了金属丝后

5、转化成热能。电磁感应器有其等效模型，如图11.2所示，上面标注了相关的等效参数，RpXp这两个参数的大小会随着温度的变化而变化。例如，Rp-般会增大1.52.5倍；Xp-般会增大1.31.5倍，这种变化对于非磁性和磁性材料来说是不一样的。对频率的要求来说，工程上一般要求频率范围是50Hz2MHz工业早期，人们曾利用电子机械换流器进行感应加热：如今，随着电力电子换流器的推广应用，根据负载的不同，可以节省1540%勺电能。图11.4为含频率转化器的感应加热器示意图。之所以将转化模块称为“频率转化器”，是因为其输出电匝和输出电流频率（HFAC高频交流）比电源输出的频率（LFAC,低频交流）高，达到了

6、频率转换的目的。逆变器采用的是晶闸管控制的电流逆变器，它适用的频率范围是500Hz4kHz，谐振电流达到10kHz，晶体管逆变器的谐振频率更高，真空管振荡器一般应用在兆赫范围。图11.4频率转化型感应加热鼍的结构模型在某些情况下，整流器可能是不可控的，此时系统输出功率的控制将由逆变器完成。如果有的系统的输出功率需要保证较大的输出范围，此时就会采用可控整流器，通过逆变器和整流器综合调节，实现系统要求。图11.5是利用矩阵变换器（MC）进行高频感应加热（HFIH）的模型（Antchev,2007）。图11.5利用高频矩阵变换器进行感应加热示意圈11.1.1电焊技术在电弧焊技术中，焊接所需要的能量通

7、过在两个电极之间形成电弧得到，其中的一个电极一般是金属材料，同时也是焊接的对象，焊条最大程度地填充两个电极之间的空气缝隙。电焊过程的伏安特性取决于焊接的类型。典型的伏安特性曲线是一条快速下降的曲线，如图11.6所示。产生电弧之前，电极之间的电压是开路电压UOC之后电流迅速变成了短路电流Isc，焊接体一般能限制和承受这一短路电流。开路电压和短路电流的典型值一般为50V和500A此外，在产生电弧的时候，输出电流的波动要尽可能的小，因此就要求输出电流值是一条平滑的曲线，不应该出现陡降或者突升的情况。还需注意的是，电焊过程中，为了保护工作人员的人身安全，整个过程需要保证良好的电隔离。这一绝缘保护通过高

8、频或低频变压器来实现。图11.6焊接体伏安特性曲线图11.7历示是低频变压器保护原理，如图11.7(a)所示，通过对整流器中晶闸管的适当控制，保证输出参数在允许的范围以内。图11.7(b)所示为不可控整流器输出直流电流，然后对一组工作在有功模式下的晶体管进行必要的管理，实现预期的目标。图11.7(c)所示为利用一个降压DC/DC斩波器实现低变压器保护。换流器的控制系统控制着输出参数，使其在预期的范围以内。当然，所有采用低频变压器的模型都会增大系统的体积和尺寸。IFThyristorTrsformerRm妙磐LFDioderivsTraftsjbrterRet/ijferReguiatorFDi

9、odeStep心穴用Pans伽沁rRtciirOCfDGConverter图11.7装有低频变压器的模型示意图图11.8所示是利用高频变压器实现保护的装置示意图，装置中装有一个直流斩波器。该模型可以进行脉宽调制和谐振。在保证较小的体积和尺寸下，这个系统的有效系数可以达到90%心。矗(7/DCConverier丹严RectfjferTrasfirer图11.8装有高频变压器的模型示意图直流输出的换流器越来越多地用于处理真空中或者气体氛围中的物质。真空弧和等离子弧一般用在电冶金、化学工业等方面，在电冶金方面主要是用于焊接、电弧切割等；在化学工业中，主要用于制造乙炔或者其他化合物。真空弧和等离子弧的

10、产生对电源的要求是一致的，一般要求产生的电弧要稳定，而且能对电流进行微调，电流的稳定性要高。电焊的直流电源，必须能输出短路电流（也就是能工作在短路状态下），因为产生电弧的基本方法就是使输出电路短路。对于等离子焊接来说，当输出电流达到1500A时，输出设备输出的电压应该为100200V。显微焊的输出设备的输出电流则不超过1A。等离子弧焊接和切割的设备优于电弧焊，因为等离子弧燃烧在扇形旋转的气体氛围中，它比电弧更稳定，弧面也比较窄。这些优点能使等离子弧焊接后的表面更平滑，同时切割时也更精确对显微焊接来说这些优点更为突出。图11.9所示是一个等离子焊接的模型示意图。圈11.9等离子焊接模型示意圈1-

11、阴极；2-阳极；3-可控整流嚣；4-控制管理系统；5-电流互感器；6-辅助高额高压模块；7-待处理材料；8-HFI-高频变压器主弧在阴极和阳极之间燃烧，直接喷向待处理的材料，与此同时，辅助弧也在工作，以保证主弧的稳定性。整流器控制系统对通过电流互感器的工作电流进行监控，使其一直工作在短路电流模式下，在此时产生的等离子弧就可以进行电焊或切割。工作电压大约是400V,电流约为500A。11.1.2真空电弧和等离子炉直流或三相交流电压可以用作真空电弧和等离子炉的电源。直流电压是理想的电源，它可以很容易得到期望的电弧，并且保证电弧的稳定性。三相控制整流器一般用在4001000V的电压范围内。如果要以较

12、小的电压得到较高的电流，就可以用图11.10所示的模型。该模型的变压器主线圈中含有一个可控晶闸管整流器（如图II.IO中的模块2、3、4所示）。-+4-圈11.10电弧和等离子炉的供电系统模型1-三相供电网络；2-三相交流晶闸管控制嚣；3-变压鼍；4-不可控整流鼍；5-感应线圈；6-阴极；7-阳极11.1.3电阻炉电阻炉利用单相和三相晶闸管交流控制器（见第5章）对其温度进行控制，一般应用在干燥、玻璃熔化、锻炼、扩散等方面。有一点值得注意，电阻炉的加热常数比电源电压的周期要大，因此应用了持续循环选择的管理模式。电阻炉温度控制模型如图11.11所示。AurinsQ50,60QI_32二圈11.11

13、电阻炉温度控制模型示意图1-妒膛；2-加热器；3-晶闸管交流调节器；4-温度传感器；5-参考温度;6-比较设备；7-电子调节器：8-模块3的控制系统电阻炉的调节系统工作在设定的时间间隔内，可以将时间间隔分为3个部分：在时间间隔的第一部分（起始阶段），控制系统在电源电压过零的时候发出加热脉冲信号：在时间间隔的第二部分，晶闸管被触发，开关导通，电源电压全部施加在加热器上用于加热：时间间隔的第三部分，晶闸管断开。因此晶闸管只有ON和OFF两种模式，这种方法同样可以用在拥有三相交流调节器的三相电阻炉里面。有时，炉膛不同位置的调节会利用不同的AC调节器完成。11.1.4电解电解是一个需要直流电源的过程。

14、电解是在电解槽中完成的，整个过程需形成闭合回路。电解中的几个主要参数为电解槽的电压、电源电压和电流，基于不同的电解类型，对这几个参数之间的要求是不同的，详见表11。表11.1不同电解类型对应的参数电解类型电解槽电压（V）整流器电流（kA）一组电解槽的总电压（V）水和水溶液1.9-2.6至10160氯4.0-4.8至570510铝4.6-5.0至150800铜0.2-0.4至30200如今，可控晶闸管整流器己被广-泛用作直流电源，可是电解对整流器控制和调节的要求和普通使用者不同，它的要求受不同整流器的不同特征以及成组相连的电解槽的输出特性的影响，当输出电流变化相同时，相应的特性曲线的斜率大小决定

15、了整流器电压的输出范围。电流值决定了电解过程的质量和速度，我们一般通过调节输出电压，保持流过电解槽组的电流值稳定。在刚开始使用新的电解槽时，初始电压要低于正常工作电压，以保证水槽闭合回路的形成，并且透渐增加电解槽的数量，从而增大了整流器输出电压的调节范围。从表11.1中我们知道，电解需要很多的电能。这就要求整流器的有效系数很高，一般要求达到95%-98%稳定性和诊断程序的要求也尤为严格。图11.12输出特性有些情况下，为了确保所需的电流值，还会附加额外的整流器模块，从而能在主整流器发生故障时确保产品的质量。相比以下方法，一种更合适方法就是在变压器的原线圈侧加入一个带有晶闸管的整流器，见图11.

16、10中模块2、3、4。加入这个整流器之后，就可以通过三相交流调节器的控制系统对二极管整流器的电源电压进行调节。当水槽的电压设定为正常值之后，组电解槽的电阻会在一定范围内发生微小变化，可以不予考虑，所以只有在供电网络的电压发生变化时，才需要做出相应的补偿。由于该过程消耗的功率很高，应当特别注意整个电解池供电网络的指示器。图11.12输出特性1-整流器输出特性；2-水和水溶液的电解；3-氯的电解；4-铝的电解；5-铜的电解11.1.5水煤气的净化水煤气净化技术的目的是净化水泥厂、化学和冶金工业等产生的烟和气体中的固体颗粒和尘埃。高压电滤尘器一般用在这种场合。在过滤室中，产生出一个匀强电场，这个电场

17、在两个电极之间的过滤室的中轴线上重合，储藏室中是负压，表面接地。在实际中，过滤室的表面是由大量的薄片组成的，这些薄片有固定尺寸，按照固定问距放置。过滤室内部，空气中电子和离子在强电场的作用下迅速加速，在尾气中的固体颗粒的影响下，颗粒和电子会附着在过滤室壁上。过滤室一般要求具有稳定的电压，当允许值上升时，瞬时的放电可能会击穿过滤室，此时过滤室的电压陡降，电流急剧上升：另外，流过过滤室的气流并不稳定。面对如此多的扰动，必须要设置一个调节系统保证过滤室电压的稳定。图11.13电子过滤器供电系统模型1-供电网络(电源网络);2-晶闸管交流调节器；3-升压变压器；4-不可控整流鼍：5-限流电抗器；6-负

18、极；7-过滤室图11.13所示是一个过滤室供电系统模型。图中的数字代表的意义如标注所示。当流过的电流从100mA变化到4A时，对应过滤室的电压变化规律是2575kV。由于单相电源网络成本低，所以使用得比较多。系统各部分的控制、调节和保护对整个系统提出了一些特殊的具体的要求。例如，过漶室在运行过程中有可能出现短路；换流器在工作时必须保证转换效率：电流的大小被电抗器通过晶闸管交流调节器限制，从而阻止了晶闸管的触发，导致一个周期中没有出现触发脉冲。电力电子换流器件还有其他应用，目前已知的有以下两种。(1) 电磁搅拌：利用一个交流调节器系统，超低频运行。例如，通过电磁场的搅拌，实现铸铁和精炼。(2) 电阻焊：模型包含了一个焊接变压器，变压器的主线圈侧连接着一个晶闸管交流调节器，调节控制系统控制着焊接电流。焊接变压器的次级线圈电压从610V变化时，电流在1080A内变化。