電力電子技術(shù)課程綜述

1、Hefei University電力電子技術(shù)課程綜述授課教師： 系 別： 電子信息與電氣工程系 班 級： 自動化（1）班 姓 名： 學(xué) 號： 日 期： 2011年6月12日 摘要: 電力電子技術(shù)（Power Electronics Technology）是研究電能變換原理及功率變換裝置的綜合性學(xué)科，是在電子、電力與控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科。包括電壓、電流、頻率和波形變換等知識，涉及電子學(xué)、自動控制原理和計算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。本課程綜述主要介紹了電力電子技術(shù)的概況和該課程所學(xué)的幾個重要知識點，并簡要介紹了電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢以及電力電子技術(shù)在實際生活中的應(yīng)用等。電力電子技術(shù)的發(fā)展是

2、很迅速的，電力電子技術(shù)已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術(shù)、學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)部門。最后，對課程做了總結(jié)并寫了學(xué)習(xí)該門課程的一些心得想法。關(guān)鍵字: 整流、逆變、變頻、PWM、應(yīng)用正文:一、 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)（Power Electronics Technology）是采用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件構(gòu)成各種開關(guān)電路，按一定的規(guī)律，實時，適式地控制開關(guān)器件的通，斷狀態(tài)，可以實現(xiàn)電子開關(guān)型電力變換和控制的技術(shù)。1、整流整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的

3、勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)

4、變?yōu)橹绷麟姡虼嗽诹甏推呤甏?，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。2、逆變逆變電路是與整流電路（Rectifier）相對應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路稱為逆變電路?？捎糜跇?gòu)成各種交流電源，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)中最常見的交流電源是由發(fā)電廠供電的公共電網(wǎng)（中國采用線電壓方均根值為380V，頻率為50Hz供電制）。由公共電網(wǎng)向交流負(fù)載供電是最普通的供電方式。但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，相當(dāng)多的用電設(shè)備對電源質(zhì)量和參數(shù)有特殊要求，以至難于由公共電網(wǎng)直接供電。為了滿

5、足這些要求，歷史上曾經(jīng)有過電動機(jī)發(fā)電機(jī)組和離子器件逆變電路。但由于它們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均不如用電力電子器件（如晶閘管等）組成的逆變電路，因而已經(jīng)或正在被后者所取代。七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)成為當(dāng)時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。 3、變頻變頻就是改變

6、供電頻率。英譯：frequency conversion 變頻技術(shù)的核心是變頻器，它通過對供電頻率的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)電動機(jī)運轉(zhuǎn)速度率的自動調(diào)節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻改為30130 Hz的變化頻率。同時，還使電源電壓適應(yīng)范圍達(dá)到142270V，解決了由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定而影響電器工作的難題。 通過改變交流電頻的方式實現(xiàn)交流電控制的技術(shù)就叫變頻技術(shù)。20世紀(jì)60年代后半期開始，電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)發(fā)展到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變

7、換技術(shù)的不斷發(fā)展。進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的問世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管IGBT的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)

8、。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWMVVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。4、PWM技術(shù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的

9、輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。沖量等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對

10、各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。二、電力電子技術(shù)的應(yīng)用大功率直流電源。它的發(fā)展主要以提高單機(jī)容量和增加效率為主要目標(biāo)。電機(jī)控制。無論是交流電機(jī)還是直流電機(jī)均采用電力電子技術(shù)來完成電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩、跟隨性等控制，但目前更多的是研究直流調(diào)速不能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。電源變換。它的發(fā)展主要以增加效率和提高控制性能為主要目標(biāo)，如電焊機(jī)、電磁感應(yīng)加熱、電動機(jī)車、電動汽車，電鍍電源、電冰箱、洗衣機(jī)等控制。高壓直流輸電。無功功率補(bǔ)償?shù)鹊取? 開關(guān)型電力電子變換電源。利用半導(dǎo)體開關(guān)型電力變換電路，可以經(jīng)濟(jì)，有效地將一種頻率，電壓，波形的電能變換為另一種頻率，電壓，波形的電能，

11、再對負(fù)載供電，使用電設(shè)備在最佳的供電電源下工作，獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。僅作為負(fù)載供電電源而論，開關(guān)型電力電子變換電源在近20年間，已在工業(yè)，交通，軍事裝備，尖端科技等領(lǐng)域中以及日常生活中獲得廣泛的應(yīng)用。其基本的應(yīng)用是：（1）電力系統(tǒng)中的直流遠(yuǎn)距離輸電（2）直流電動機(jī)變速傳動控制（3）交流發(fā)電機(jī)變換傳動控制（4）電解，電鍍等應(yīng)用領(lǐng)域中的低壓大電流可控直流電源。（5）各類高性能的不間斷供電電源（UPS）（6）各類恒頻，恒壓通用逆變電源。 （7）照明燈具用的高頻電力電子變換器（電子鎮(zhèn)流器）（8）各類低壓直流開關(guān)電源。（9）蓄電池充電電源。（10）中頻或高頻感應(yīng)加熱電源。（11）大功率脈沖電源，激光

12、電源。（12）燃料電池，太陽能光-電轉(zhuǎn)換或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的恒壓直流或恒頻恒壓交流電源。2 開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器。 開關(guān)型電力電子變換電路除了可用作AC/DC，DC/AC，AC/AC，DC/DC電力電子變換電源外，還可用作電力電子補(bǔ)償器，補(bǔ)償和控制電力系統(tǒng)中的諧波電流，諧波電壓，節(jié)點電壓，基波阻抗，無功功率，有功和無功功率潮流，平衡電力系統(tǒng)有功功率以及抑制電壓瞬變和功率震蕩。將開關(guān)型電力電子變換器電流源，電壓源適當(dāng)?shù)亟尤腚娏ο到y(tǒng)就可以構(gòu)成：（1）諧波電流補(bǔ)償器。電力電子變換電路的輸出與電力負(fù)載并聯(lián)，輸出諧波電流，補(bǔ)償非線性負(fù)載的諧波電流。使電網(wǎng)電流正弦化。（2）諧波電壓補(bǔ)償器。電力電子變換

13、電路的輸出端串聯(lián)在交流電源與負(fù)載之間，電力電子變換輸出諧波電壓，其值與電網(wǎng)的諧波電壓大小相等，方向相反，補(bǔ)償電網(wǎng)的諧波電壓。 （3）無功功率補(bǔ)償器。電力電子變換電路輸出端與負(fù)載并聯(lián)，輸出基波無功電流（電流滯后端電壓90度），即向負(fù)載提供無功功率，改善交流電網(wǎng)功率因數(shù)。（4）電網(wǎng)節(jié)點電壓控制器。（5）電能存取控制器。（6）瞬變電壓抑制器。（7）阻抗補(bǔ)償控制器。3、高頻逆變式整流焊機(jī)電源高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源，代表了當(dāng)今焊機(jī)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(yīng)用前景。 逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-A

14、C-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，供電弧使用。 由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題，也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器，通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析，達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進(jìn)而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。4、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

15、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(dá)(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(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:（1）不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流; （2）電流環(huán)基準(zhǔn)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。5、分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)分布式電源供電系統(tǒng)采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(shù)

16、成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強(qiáng)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。 八十年代初期，對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù)，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點，論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點。已被大型計算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)

17、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(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動機(jī)驅(qū)動電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。 三、總結(jié)本課程主要學(xué)習(xí)和掌握以下內(nèi)容：第二章要點：學(xué)習(xí)各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等，理解電力電子器件的驅(qū)動和保護(hù)電路的作用。第三章要點：重點學(xué)習(xí)各種基本斬波電路的工作原理、輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作特點。第四章要點：學(xué)習(xí)換流的概念以及換流方式的分類；重點學(xué)習(xí)單相和三相電壓型逆變電路的主要特點、原理分析和計算；理解單相和三相電流型逆變電路的主要特點、原理分析。重點

18、學(xué)習(xí)PWM控制的基本原理；單相橋式PWM逆變電路中單極性和雙極性控制方法分析。重點掌握異步調(diào)制和同步調(diào)制的概念，規(guī)則采樣法的概念。理解單相PWM整流電路的工作原理和控制方法分析。第五章要點：學(xué)習(xí)掌握電力電子電路按分段線性電路進(jìn)行分析的基本思想、單相整流電路和三相整流電路的原理分析與計算、各種負(fù)載對整流電路工作情況的影響；可控整流電路的有源逆變工作狀態(tài)，重點掌握產(chǎn)生有源逆變的條件、三相可控整流電路有源逆變工作狀態(tài)的分析計算、逆變失敗及最小逆變角的限制等。第六章要點：學(xué)習(xí)交流交流變流電路的分類及其基本概念；單相、三相交流調(diào)壓電路的電路構(gòu)成、工作原理分析，以及單相電路在電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時計算方法；

19、交流調(diào)功電路和交流電力電子開關(guān)的基本概念；理解晶閘管相位控制交交變頻電路的電路構(gòu)成、工作原理和輸入輸出特性。第七章要點：掌握軟開關(guān)的基本概念（硬開關(guān)、軟開關(guān)、零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)）；重點掌握零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路、諧振直流環(huán)、移相全橋型零電壓開關(guān)PWM電路和零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作原理。電力電子技術(shù)這門課程是必修課，在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的今天，電力電子技術(shù)作為弱電與強(qiáng)電的橋梁，正在與微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)相輔相成快速發(fā)展，還與多個學(xué)科相互滲透，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的重要支柱。隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對從事此項技術(shù)人員的需求量也不斷擴(kuò)大，如果能夠掌握電力電子技術(shù)，對于工科電類專業(yè)的學(xué)生來說，將會提高他們的競爭力，而且掌握這門技術(shù)可構(gòu)建學(xué)生完整的知識體系。電力電子技術(shù)就是利用電力電子器件實現(xiàn)電能的變換和控制，如果能夠按照先器件后電路的順序，條理就很清楚，教學(xué)重點主要是器件及其應(yīng)用。器