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• 定义与分类
  • 定义：功率单元是电力电子设备中的基本组件之一，用于电能的转换和控制，通常包括功率半导体器件和相关的电路元件，能够将输入电源的电能转换为所需的输出电能形式。
  • 分类：根据工作原理和应用场景不同，可分为交流功率单元，主要用于交流电能的转换和控制，如交流调压器等；直流功率单元，主要用于直流电能的转换和控制，如直流稳压器等；混合功率单元，是交流功率单元和直流功率单元的结合体，可实现交流电能和直流电能之间的相互转换和控制。
• 组成部件
  • 整流桥：作用是将交流变成直流，内部封装形式有两种，一种内部有 6 只整流二极管，用于功率单元的三相输入端；另一种内部有 2 只整流二极管，用于功率单元的三相输入端以及旁通回路中。
  • 可控硅：使用在充电电路和旁通回路上，起 “开关” 作用。
  • 电解电容：对整流桥整流后的直流进行滤波。
  • IGBT：作用是将直流变为交流，大部分为 “双管”，即内部封装了两组 IGBT 模块。
• 工作原理
  • 交流功率单元：输入交流电源先通过滤波器滤波和去除杂散信号，再经过整流电路转换为直流电源，然后直流电源通过逆变器将直流转换为交流电源，输出电压、频率和相位可通过控制逆变器的开关管和脉冲调制技术进行调节，控制器根据需求和输入信号对逆变器的开关管和脉冲调制技术进行控制，实现对输出交流电压的调节和变频控制。
  • 直流功率单元：输入直流电源经过整流电路进行整流，将交流电源转换为直流电源，直流电源通过变换器将直流电压转换为所需的直流电压，输出电压和电流可通过控制变换器的开关管和调制技术进行调节，控制器通过对开关管和调制技术的控制，控制输出电压和电流的大小和稳定性。
  • 混合功率单元：将交流功率单元和直流功率单元的工作原理进行了结合和优化，输入交流电源经过滤波器进行滤波和去除杂散信号，再经过整流电路转换为直流电源，直流电源通过逆变器将直流转换为交流电源，输出电压、频率和相位可通过控制逆变器的开关管和脉冲调制技术进行调节，混合功率单元通过直流电源和交流电源之间的连接进行功率转换和调节。
• 主要功能
  • 整流功能：功率单元的整流部分主要采用二极管不可控整流桥，将输入的交流电转换为直流电，为后续的逆变操作提供必要的直流电源。
  • 滤波功能：整流后得到的直流电压波形通常包含较多的谐波成分，滤波装置通常采用电解电容或薄膜电容等元器件，吸收和储存电能，平滑直流电压波形，减少谐波成分，提高逆变过程的效率和稳定性。
  • 逆变功能：是功率单元的核心功能之一，利用 IGBT 模块等电力电子器件将滤波后的直流电压波形转换为可调频率的交流电压波形，通过控制 IGBT 模块的开关时间和顺序，实现对输出交流电压波形频率和幅值的控制，从而实现对电动机转速和负载的控制。
  • 能量回馈功能：在某些情况下，电动机产生的多余能量可通过功率单元重新转换为电能并送回电网中，实现能量的利用和节约。
  • 保护功能：具备多种保护功能，如电动机过载或短路时，迅速切断电源并发出报警信号；IGBT 模块温度过高时，触发保护机制停止逆变过程；电网电压波动过大时，自动调整输出电压以维持稳定运行等，防止设备损坏和事故发生，提高系统的可靠性和安全性。
• 应用领域
  • 电力系统：用于电能的传输、变换和控制，如交流功率单元可调节电压、频率和相位，实现电力系统的稳定供电和电网调节；直流功率单元可用于高压直流输电，实现远距离输电和多能源互联。
  • 工业自动化：主要用于电机驱动和电能控制，如交流功率单元可用于变频调速控制和电机驱动器；直流功率单元可用于电动机控制和工艺过程控制。
  • 新能源发电：在风力发电和太阳能发电装置中，交流功率单元可进行电能转换和逆变控制；直流功率单元可用于能量存储系统和电动汽车充电设备。
  • 电动交通领域：交流功率单元可用于电动汽车的充电设备和电动汽车主动保护装置；直流功率单元可用于电动汽车的电机驱动和动力管理系统。