電力電子技術(shù)及其應(yīng)用概論論文.doc

電力電子技術(shù)及其應(yīng)用概論課論文摘要：二十世紀(jì)影響人類(lèi)最大的工程技術(shù)成就排名排在第一位的是電力系統(tǒng)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用在我們無(wú)處不在作為大學(xué)生我們應(yīng)該或多或少了解一些。本課程主要從電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)入手，以變頻空調(diào)等采用電力電子技術(shù)的家用電器為例，掌握常用的電力電子器件和變換電路的基礎(chǔ)知識(shí)，包括半導(dǎo)體器件的工作原理、常用整流電路與應(yīng)用舉例、常用逆變電路與應(yīng)用舉例、PWM控制技術(shù)、變頻空調(diào)等。另外選擇整流電路進(jìn)一步分析應(yīng)用。關(guān)鍵字：電力電子技術(shù) 應(yīng)用 整流電路 逆變電路 能源第一節(jié)電力電子技術(shù)及其應(yīng)用課陳老師主要做課程的總體介紹。首先老師介紹了自己的個(gè)人信息，課件郵箱，推薦的書(shū)籍及網(wǎng)站還有本門(mén)課程的考核形式。老師列出的二十世紀(jì)對(duì)人類(lèi)影響最大工程技術(shù)成就排名，電力系統(tǒng)排名第一，然而當(dāng)初選的這門(mén)課并非因?yàn)樗鼘?duì)我的影響有多大，純粹是毫無(wú)目的的選。但我想既然選了就要認(rèn)真去完成。第一講內(nèi)容 課程總體安排 緒論電力電子技術(shù)及其應(yīng)用這門(mén)課程的內(nèi)容與目的是了解電力電子技術(shù)發(fā)展的概括和最新動(dòng)態(tài)，了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。本課程分為了三大部分：第一部分課程的基礎(chǔ)，第二部分課程的主體，第三部分課程的發(fā)展。學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)及其應(yīng)用這門(mén)課的技巧及方法主要有三點(diǎn)：變流電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（非線(xiàn)性）；熟知三相交流電之間的相序和波形圖；分析電路的工作原理，了解各種電路的輸入電壓、輸出電壓和電流的波形。電力電子學(xué)是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的學(xué)科（技術(shù)），即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)的兩大分支電力電子技術(shù)器件制造技術(shù)和交流技術(shù)也就是電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)。電力電子學(xué)與電力學(xué)電子學(xué)控制理論學(xué)有著緊密的聯(lián)系。電力電子學(xué)的發(fā)展史大體分為兩個(gè)階段： 19571980年，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)； 1980年至今，現(xiàn)代電力電子技術(shù)。器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。電子器件先后出現(xiàn)了電子管、水銀整流器、晶閘管、IGBT及功率集成器件?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合主要特點(diǎn)是集成化、高頻化、全控化、數(shù)字化。電力電子器件可分為不控型器件、半控型器件、全控型器件。電力變換四大類(lèi)：交流直流(AC-DC)，直流交流(DC-AC)，直流直流(DC-DC)，交流交流(AC-AC)。另外還有四種輔助電路：控制、驅(qū)動(dòng)、緩沖、保護(hù)電路。電力電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，在我們身邊無(wú)處不在。如交通運(yùn)輸、家用電器等等。第二講內(nèi)容 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)1. 電路的基本概念與基本定律2. 正弦交流電路基礎(chǔ)電路由三部分組成：電源、中間環(huán)節(jié)、負(fù)載。電能的優(yōu)越性在于便于轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸和控制。交流電產(chǎn)生的原理是線(xiàn)圈切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)是隨時(shí)間 t 按正弦規(guī)律變化的，故稱(chēng)之為正弦交流電動(dòng)勢(shì)。正弦量的瞬時(shí)表達(dá)式：正弦交流電有三個(gè)要素：最大值、角頻率和初相位。角頻率=2f。兩個(gè)同頻率正弦交流電的相位之差叫做相位差，用符號(hào)Dj 表示。當(dāng)相位差 0 Dj =j1-j2 時(shí)，稱(chēng)u1超前u2 Dj 角；或稱(chēng)u2滯后u1 Dj 角。三種元件：電阻、電感、電容。含電阻元件的電路中電壓與電流同頻同相。電感元件是線(xiàn)圈的理想化模型。電感的單位是亨利（H）或毫亨利（mH）。法拉第電磁感應(yīng)定律：線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量變化率成正比。安培定則：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向與磁通的正方向之間符合右手螺旋定則。電感電路的幾個(gè)特點(diǎn)：電感上的電流變化會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它起到阻礙電流變化的作用，電感線(xiàn)圈上的電流不會(huì)發(fā)生突變，電壓可以突變。電感上的電壓超前電流p/2。電感不消耗有功功率，但與電源之間存在著能量交換儲(chǔ)能作用（磁場(chǎng)能）。電磁感應(yīng)在家電中的一個(gè)應(yīng)用是電磁爐。電容：在極板（由絕緣材料隔開(kāi)的兩個(gè)金屬板）能儲(chǔ)存（容納）電荷的元件，稱(chēng)為電容。用大寫(xiě)字母C表示，單位為法拉（F）。主要具備電容特性的器件稱(chēng)為電容器。電容有以下幾個(gè)特點(diǎn)：電容上電荷量的變化會(huì)引起電壓的變化，電荷量不會(huì)發(fā)生突變，它起到阻礙電壓變化的作用；電容上的電流超前電壓p/2；電容元件具有“通交流、隔直流”的作用，故在直流電路中可視為開(kāi)路；電容不消耗有功功率，但與電源之間存在著能量交換儲(chǔ)能作用（電場(chǎng)能）。電容電路的一個(gè)應(yīng)用是靜電噴霧。第三講內(nèi)容 單相供電與三相供電 半導(dǎo)體器件的工作原理在一個(gè)電機(jī)中安裝3組獨(dú)立的互成120角的線(xiàn)圈。這樣，一臺(tái)發(fā)電機(jī)就能同時(shí)生產(chǎn)出3相獨(dú)立的交變電流，稱(chēng)為三相交變電流。在生產(chǎn)、生活中大量應(yīng)用的都是三相交變電流。這是因?yàn)槿噍旊姳葐蜗噍旊姡?、節(jié)省單線(xiàn)材料2、電機(jī)性能好經(jīng)濟(jì)效益高。 三相交流發(fā)電機(jī)與單相交流發(fā)電機(jī)一樣，主要組成部分是電樞線(xiàn)圈和磁極。電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值： 電源的星形聯(lián)結(jié)如下圖：把發(fā)電機(jī)三相繞組的末端U2、V2、W2聯(lián)成一點(diǎn)N，而把始端U1、V1、W1作為與外電路相聯(lián)接的端點(diǎn)，端點(diǎn)引出的導(dǎo)線(xiàn)叫端線(xiàn)俗稱(chēng)火線(xiàn)N點(diǎn)稱(chēng)為中性點(diǎn)，從中性點(diǎn)引出的線(xiàn)叫中性線(xiàn)或零線(xiàn)，有時(shí)接地因此又叫地線(xiàn)。 電源與負(fù)載的聯(lián)接方式有三相三線(xiàn)制和三相四相制，如下圖后兩個(gè)是對(duì)稱(chēng)三相前三個(gè)是非對(duì)稱(chēng)三相然而在電能輸送過(guò)程中高壓直流相比高壓交流具有一下優(yōu)越性：輸送相同功率時(shí)，直流輸電所用線(xiàn)材僅為交流輸電的23l2；穩(wěn)定的直流輸電不存在感抗和容抗引起的損耗；直流輸電時(shí)，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小在直流輸電線(xiàn)路中，各級(jí)是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能但在交流輸電線(xiàn)路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線(xiàn)停電。下圖是直流輸電系統(tǒng)，只有在輸電過(guò)程是直流。但是現(xiàn)在直流輸電并不非常普及，直流輸電交換設(shè)備存在制造難、造價(jià)高等問(wèn)題。半導(dǎo)體器件工作原理：硅和鍺的單晶稱(chēng)為本征半導(dǎo)體，它們的原子排列有規(guī)律通過(guò)共價(jià)鍵把相鄰的原子牢固聯(lián)系在一起。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。本征半導(dǎo)體某些價(jià)電子在高溫條件下發(fā)生本征激發(fā)。半導(dǎo)體是依靠自由電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電的。雜質(zhì)半導(dǎo)體分為P型和N型半導(dǎo)體，摻入五價(jià)雜質(zhì)便是N型半導(dǎo)體，五價(jià)元素是施主雜質(zhì)正離子。摻入三價(jià)雜質(zhì)便是P型半導(dǎo)體，三價(jià)元素稱(chēng)為受主雜質(zhì)負(fù)離子。兩種導(dǎo)電機(jī)理：電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的漂移電流和非平衡載流子濃度差作用下產(chǎn)生的擴(kuò)散電流。前者與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，后者與濃度梯度成正比。一塊單晶半導(dǎo)體中 ，一部分摻有受主雜質(zhì)是P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)是N型半導(dǎo)體時(shí) ，P 型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面附近的過(guò)渡區(qū)稱(chēng)為PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕O管正是利用了它的這個(gè)特性。典型二極管在常溫時(shí)的伏安特性如下：正向工作區(qū)擊穿區(qū)反向工作區(qū) TVTRa)u1u2uudidVTug第四講 電力電子器件介紹 交流直流變換電路（整流電路）電力電子器件系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。整流電路也即是將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐贰?、利用功率二極管的整流電路。這種電路是不可控的，二極管的特性設(shè)為理想的，電感容量足夠大。2、相控整流電路。分為單相半波可控整流電流和單相橋式全控整流電流。單向半波可控整流電路帶電阻負(fù)載（如上圖右）通過(guò)整流變壓器T得到一個(gè)負(fù)載所需要的電壓u2，作為整流電路的輸入電壓。電壓與電流成正比，兩者波形相同。直流輸出電壓的平均值是帶阻感負(fù)載電路電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。a)帶阻感負(fù)載電路圖單相橋式全控整流電流。帶電阻負(fù)載工作情況：由四個(gè)晶閘管組成兩對(duì)橋臂，可為各種性質(zhì)的負(fù)載供電。工作原理：VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷；VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2負(fù)半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。如下圖左，其波形圖如下右 單相全波可控整流電路。單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問(wèn)題。整流電路在恒壓恒頻電源的應(yīng)用。下圖為UPS工作原理圖：其顯著特點(diǎn)是能夠持續(xù)零中斷地輸出純凈正弦波交流電，能夠解決尖峰、浪涌、頻率漂移等全部的電源問(wèn)題；由于需要較大的投資，通常應(yīng)用在關(guān)鍵設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中心等對(duì)電力要求苛刻的環(huán)境中。三相可控整流電路：1三相半波可控整流電路；2電容濾波的不可控整流電路。三相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載的工作特點(diǎn)：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線(xiàn)，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起共陰極接法。帶阻感負(fù)載工作特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。帶阻感負(fù)載帶電阻負(fù)載 電容濾波的三相不可控整流電路基本原理：某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于交流側(cè)線(xiàn)電壓中最大的一個(gè)，該線(xiàn)電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒(méi)有極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。第五講 整流電路的工作原理左手定則：伸開(kāi)左手，使拇指與其余四指垂直，并都與手掌在同一平面上。磁力線(xiàn)垂直地進(jìn)入手心，其余四指指向電流方向，這時(shí)拇指所指的方向就是磁場(chǎng)對(duì)電流作用力（安培力）的方向。右手定則：伸開(kāi)石手，使拇指與其余四指垂直，并都和手掌在同一平面內(nèi)。磁力線(xiàn)垂直地從手心進(jìn)入，使拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí)其余四指所指的方向就是感生電流的方向。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理：在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定的情況下，要改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可有以下方法：電流 Ia不變，改變外磁場(chǎng)B強(qiáng)度；外磁場(chǎng)B強(qiáng)度不變，改變電流Ia的大小。直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：直流電機(jī)由定子（固定不動(dòng)）與轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)）兩大部分組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有空隙,稱(chēng)為氣隙。定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等裝置；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件。直流變速空調(diào)工作原理：空調(diào)的工作原理：利用物質(zhì)汽化蒸發(fā)時(shí)吸收熱量而實(shí)現(xiàn)降溫?，F(xiàn)在用的物質(zhì)是氟利昂高壓液態(tài)制冷劑（如R22），經(jīng)過(guò)節(jié)流后在蒸發(fā)器蒸上吸收空氣中的熱能，變成了低壓的汽態(tài)制冷劑；而低壓的汽態(tài)制冷劑又流入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮后變成高溫高壓的汽態(tài)制冷劑，再經(jīng)過(guò)冷凝器進(jìn)行冷卻降溫降壓后，出來(lái)的又是高壓的液態(tài)制冷劑又經(jīng)過(guò)節(jié)流后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器蒸發(fā)，就這樣循環(huán)利用；而蒸發(fā)器上面有個(gè)風(fēng)扇使空氣循環(huán)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣降溫?！白冾l空調(diào)”的變頻器改變壓縮機(jī)供電頻率，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。依靠壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢達(dá)到控制室溫的目的，室溫波動(dòng)小、電能消耗少，其舒適度大大提高。而運(yùn)用變頻控制技術(shù)的變頻空調(diào)，可根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)選擇制熱、制冷和除濕運(yùn)轉(zhuǎn)方式，使居室在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到所需要的溫度并在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了快速、節(jié)能和舒適控溫效果。第六講 逆變電流課堂上老師讓我們先看視頻：全民在行動(dòng)。關(guān)于節(jié)能產(chǎn)品，如節(jié)能燈、冰箱等。但目前遇到的問(wèn)題是產(chǎn)品成本高，節(jié)能工作有待加強(qiáng)。將直流變交流稱(chēng)為逆變電流。逆變電流分為有源逆變和無(wú)源逆變。逆變電路最基本的工作原理 改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。帶電阻負(fù)載：I與U的相位一致，帶阻感負(fù)載：I滯后于U。逆變電流換流方式分類(lèi)：器件換流適用于全控型器件。器件換流和強(qiáng)迫換流屬于自換流。電網(wǎng)換流和負(fù)載換流屬于外部換流。逆變電路分為電壓型逆變和電流型逆變。電壓型逆變的特點(diǎn)(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。(2)交流側(cè)輸出電壓為矩形波，輸出電流和相位因負(fù)載阻抗不同而不同。(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。單相電壓型逆變電路(1) 半橋逆變電路(2) 全橋逆變電路三相電壓型逆變電路（略）PWM控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值)【1】?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。PWM技術(shù)控制的重要基礎(chǔ)理論是面積等效原理。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(shí)，其效果基本相同。根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。逆變電路的應(yīng)用：三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理：三相異步電動(dòng)機(jī)由定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電流，再與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。交流變頻空調(diào)工作原理：把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，并把它送到功率模塊(IGBT等電力電子器件)；同時(shí)功率模塊受微電腦送來(lái)的控制信號(hào)控制，輸出頻率可調(diào)的交變電源(合成波形近似正弦波)，使壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的變化作相應(yīng)的變化，從而控制壓縮機(jī)的排量，調(diào)節(jié)制冷量或制熱量。交流變頻空調(diào)的主要特點(diǎn)是啟動(dòng)電流低、低溫運(yùn)行性能好、控溫波動(dòng)小、電網(wǎng)電壓適應(yīng)性強(qiáng)、控溫速度快。這種空調(diào)的缺點(diǎn)是價(jià)格較高，對(duì)元器件的要求高，故障率高，會(huì)產(chǎn)生諧波污染。第七講 電力電子技術(shù)在開(kāi)發(fā)利用綠色能源的應(yīng)用簡(jiǎn)介上課之前看到視頻關(guān)于沼氣能，是一種清潔能源。我國(guó)目前的能源使用效率低，主要能源來(lái)自火力發(fā)電。地球上的能源是有限的，能源問(wèn)題越來(lái)越突出，因此人類(lèi)應(yīng)該換個(gè)思維，利用綠色可持續(xù)發(fā)展的能源。綠色能源有狹義的概念也有廣義的概念，狹義的綠色能源指可再生能源，如水能。廣義的綠色能源則包括在能源的生產(chǎn)及其消費(fèi)過(guò)程中，選用對(duì)生態(tài)環(huán)境低污染或無(wú)污染的能源，如天然氣。中國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平有限，要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展從利用綠色能源入手具有重大的意義。核能雖然屬于清潔能源，但消耗鈾燃料，不是可再生能源，投資較高，因此并不很普及，但在我國(guó)利用有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。中國(guó)電力發(fā)展在最近快速增長(zhǎng)。風(fēng)能是一種