電力電子技術現(xiàn)代應用論文

1、信息工程學院課程結(jié)業(yè)論文課程名:電力電子技術專業(yè):電子信息科學與技術班級:學號:學生姓名:指導教師:2014 年 5 月 20 日現(xiàn)代電力電子技術的應用電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術,就是使用電力電子器件(如晶閘管,GTO,IGBT等對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW,也可以小到數(shù)W甚至1W以下,和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。隨著電力電子、計算機技術的迅速發(fā)展,交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為發(fā)展趨勢。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟、制動性能被國內(nèi)外公認為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻技術是交流調(diào)速的核心

2、技術,電力電子和計算機技術又是變頻技術的核心,而電力電子器件是電力電子技術的基礎。電力電子技術是近幾年迅速發(fā)展的一種高新技術,廣泛應用于機電一體化、電機傳動、航空航天等領域,現(xiàn)已成為各國競相發(fā)展的一種高新技術。1.電力電子技術的發(fā)展現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOS FET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一

3、身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。電力電子技術作為一門高技術學科,由于其在節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件等方面有著重要的作用,現(xiàn)在已廣泛的應用于傳統(tǒng)工業(yè)(例如:電力、機械、交通、化工、冶金、輕紡等和高新技術產(chǎn)業(yè)(例如:航天、現(xiàn)代化通信等。2.現(xiàn)代電力電子技術的應用領域2.1 電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用用電領域中的電力電子技術(1電動機的優(yōu)化運行全世界的用電量中約有60%左右是通過電動機來消耗的。采用計算機電力電子技術結(jié)合的智能變頻控制技術,使電動機經(jīng)常處于高效狀態(tài),可以節(jié)約大量電能,具有巨大的效益。(2高能量密度的電源應用電化學電源廣泛應用在作為國民經(jīng)

4、濟的銅、鋁、鋅、鎳等有色金屬以及氯堿等電解產(chǎn)業(yè)中;體積小、重量輕、效率高的各種開關電源應用也是十分廣泛;新世紀中,隨著電力電子技術的發(fā)展,變頻電源應用也日益廣泛;另外還有不間斷電源(UPS、穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、高精度潔凈電源等特種電源,采用電力電子技術后,各方面指標均大大改善。發(fā)電領域中的電力電子技術(1發(fā)電機的直流勵磁常規(guī)發(fā)電機中勵磁的建立已經(jīng)由傳統(tǒng)的直流磁勵機轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍蓄l交流勵磁機加電力電子整流的方法,并已取得良好的經(jīng)濟效益,可靠性較高。(2水輪發(fā)電機的變頻勵磁發(fā)電頻率取決于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。采用了電力電子技術后,將水輪發(fā)電機直流勵磁轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l交流變頻勵磁。當水流量減少時,提高勵磁頻率,可以把發(fā)電頻

5、率補償?shù)筋~定,延長水輪發(fā)電機的發(fā)電周期,解決了水力發(fā)電中發(fā)電機工作時間受季節(jié)性水流量影響而導致的頻率無法調(diào)節(jié)、浪費較多水能的問題。這對大型水力發(fā)電設施來說,可帶來巨大的經(jīng)濟效益。(3環(huán)保型能源發(fā)電利用太陽能、風能、潮汐能、地熱能等新能源發(fā)電,是解決一次能源危機(煤、石油、天然氣等石化類能源日趨匱乏的重要途徑,它們是可再生的綠色能源。但是這些能源轉(zhuǎn)換的電能,其電壓、頻率難免波動,無法并網(wǎng)應用。只有通過電力電子變換裝臵,才能使這些波動的電能以恒壓恒頻方式輸出,實現(xiàn)這些新能源的實用化。儲能領域中的電力電子技術(1蓄電池與電容器組儲能把夜間電網(wǎng)提供的多余交流電整流成直流電,儲存在建筑物地下室內(nèi)的“蓄電

6、池電容器組”;白天,再把這些儲存的電能逆變成交流電供給整個建筑物內(nèi)的用電,已經(jīng)成為某些地方的時尚。(2抽水儲能發(fā)電白天,水庫泄水發(fā)電;晚間,利用多余的電網(wǎng)電能使發(fā)電機轉(zhuǎn)變成電動機運行,驅(qū)動水泵把下游水庫的水抽進上游水庫,增加上游水庫蓄水,使白天可以更多地發(fā)電。這種電能量變換過程效率較低。(3超導線圈的磁場儲能在超導體線圈中,數(shù)十萬安培的直流電流在其中流動是不會損耗的,這種儲能器體積小,轉(zhuǎn)換效率高。但當前還沒有妥善解決如何實現(xiàn)交流電能同該低電壓超大電流的直流電能的互相轉(zhuǎn)換的問題。輸電領域中的電力電子技術(1動態(tài)無功功率補償(SVC技術電廠生產(chǎn)的電能,一部分可有效地做功,對應功率稱為有功功率;另一

7、部分稱為無功功率。無功的存在使發(fā)電機功率因數(shù)降低,諧波污染電網(wǎng),增加發(fā)電機和其它電氣設備發(fā)熱,無功的波動使電網(wǎng)電壓波動。因此,必須對無功功率進行補償。采用電力電子技術的動態(tài)無功功率補償裝臵起著重要作用。(2高壓直流輸電(HVDCT技術在遠距離輸電、跨海輸電、非同期(非同步的電力系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)等方面,高壓直流輸電優(yōu)于高壓交流輸電。發(fā)電機發(fā)出的交流電能經(jīng)過變壓器變換后,再整流為直流電能,跨過幾百、上千公里后,再經(jīng)逆變器變換為工頻交流電能,供終端用戶使用。必須采用幾十、乃至數(shù)百萬千伏安的超大功率電力電子裝臵才可以實現(xiàn)上述功能。(3消除諧波改善電網(wǎng)供電品質(zhì)相位控制型電力電子設備是一諧波發(fā)生器,其大量的采

8、用嚴重污染了公用電網(wǎng),導致電力品質(zhì)下降,危及電網(wǎng)安全運行;它產(chǎn)生的電磁干擾(EMI也危及通信、金融、航空、交通、醫(yī)療等行業(yè)的安全運行。采用電力電子技術,特別是有源濾波技術,抑制諧波發(fā)生,實現(xiàn)綠色電源,是21 世紀必須要解決的問題。近年來,電力電子的環(huán)境及產(chǎn)業(yè)都有了很大的變化。整體而言,電力電子技術的發(fā)展在許多應用領域上獲得了認同。總而言之,在各種與電相關的地方,凡是要求調(diào)節(jié)控制以實現(xiàn)自動化、智能化的場合,電力電子技術將同微電子、計算機控制技術相輔相成,發(fā)揮巨大作用。2.2電力電子技術在電子裝置用電源中的應用各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以

9、前用晶閘管整流電源,現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關電源。在各種電子裝置中,以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電,由于高頻開關電源體積小、重量輕、效率高,現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因為各種信息技術裝置都需要電力電子裝置提供電源,所以可以說信息電子技術離不開電力電子技術。(1計算機高效率綠色電源:高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進入了電子、電器設備領域。(2通信用高頻開關電源:通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信

10、電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR通過MOSF ET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到4 8V/200A、48V/400A。因通信設備中所用集成電路的種類繁

11、多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為4 8V直流變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。(3直流-直流(DC/DC變換器:DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(2030%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓

12、的作用(開關電源,同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。(4不間斷電源(UPS:不間斷電源(UPS是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開

13、關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)?，F(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。(5變頻器電源:變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通

14、過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。(6高頻逆變式整流焊機電源:高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使

15、用。(7電力有源濾波器:傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(7080%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.50.6。電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流,電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。(8分布式開關電源供電系統(tǒng):分布式電源供電系統(tǒng)采

16、用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中,開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采

17、用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術,通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等的核心技術?，F(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。2.3電力電子技術在工業(yè)中的應用工業(yè)中大量應用各種交直流電動機。直流電動機有良好的調(diào)速性能,給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電

18、力電子裝置。近年來,由于電力電子變頻技術的迅速發(fā)展,使得交流電機的調(diào)速性能可與直流電機相媲美,交流調(diào)速技術大量應用并占據(jù)主導地位。大至數(shù)千kW的各種軋鋼機,小到幾百W的數(shù)控機床的伺服電機,以及礦山牽引等場合都廣泛采用電力電子交直流調(diào)速技術。一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置,以達到節(jié)能的目的。還有些不調(diào)速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置,這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電化學工業(yè)大量使用直流電源,電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電力電子技術還大量用于冶金工業(yè)中的高頻、中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。2.4 電力電子技術在交通運輸中的應用電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的直流機車中采用整流裝置,交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中,電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。 電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)動控制， 其蓄電池的充電也離不開電力電 子裝置。 一臺高級汽車中需要許多控制電機， 它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。 飛機、 船舶需要很多不同要求的電源， 因此航空和航海都離不開電力電子技術。 如果把電梯也算做