電力電子技術課程綜述(doc 12頁).doc

電力電子技術課程綜述系別：電子信息及電氣工程系專業(yè)：自動化班級：姓名:學號：目錄摘要：2緒論31.1電力電子技術簡介：31.2電力電子技術的應用：31.3電力電子技術的重要作用：41.4電力電子技術的發(fā)展4本課程簡介52.1電力電子器件：52.1.1根據(jù)開關器件是否可控分類52.1.2 根據(jù)門極)驅動信號的不同52.1.3 根據(jù)載流子參與導電情況之不同，開關器件又可分為單極型器件、雙極型器件和復合型器件。62.2 DC-DC變換器62.2.1主要內容：62.2.2直流-直流變換器的控制62.3 DC-AC變換器（無源逆變電路）72.3.1電壓型變換器72.3.2電流型變換器82.3.3脈寬調制(PWM)變換器82.4 AC-DC變換器（整流和有源逆變電路）82.4.1簡介82.4.2工作原理92.5 AC-AC變換器92.5.1 簡介92.5.2 分類92.6 軟開關變換器92.6.1分類92.6.2 重點10總結10參考文獻10摘要：電力電子技術是在電子、電力與控制技術上發(fā)展起來的一門新興交叉學科，被國際電工委員會（IEC）命名為電力電子學（Power Electronics）或稱為電力電子技術。近20年來，電力電子技術已滲透到國民經濟各領域，并取得了迅速的發(fā)展。作為電氣工程及其自動化、工業(yè)自動化或相關專業(yè)的一門重要基礎課，電力電子技術課程講述了電力電子器件、電力電子電路及變流技術的基本理論、基本概念和基本分析方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學習和電力電子技術的研究與應用打下良好的基礎。關鍵詞：電力電子技術 控制技術 自動化 電力電子器件Abstract: Power electronic technology is in Electronics, electric Power and control technology developed on an emerging interdisciplinary, is the international electrotechnical commission (IEC) named Power Electronics (Power Electronics) or called Power electronic technology. Nearly 20 years, power electronic technology has penetrated into every field of national economy, and have achieved rapid development. As electrical engineering and automation, industrial automation or related professional one important courses, power electronic technology course about power electronics device, power electronic circuits, the basic theory of converter technology, the basic concept and basic analysis for subsequent specialized course of study and power electronic technology research and application lay a good foundation.Keywords: Power electronic technology control technology automation power electronics device緒論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。電力電子技術分為電力電子器件制造技術和交流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣 工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。 1.1電力電子技術簡介：電力電子學（Power Electronics）這一名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W”和“電力電子技術”是分別從學術和工程技術2個不同的角度來稱呼的。 一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標志的，電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管和晶閘管變流技術的發(fā)展而確立的。此前就已經有用于電力變換的電子技術，所以晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術的史前或黎明時期。70年代后期以門極可關斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展（全控型器件的特點是通過對門極既柵極或基極的控制既可以使其開通又可以使其關斷），使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的復合）為代表的復合型器件集驅動功率小，開關速度快，通態(tài)壓降小，在流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術的主導器件。為了使電力電子裝置的結構緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來又把驅動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。 1.2電力電子技術的應用：一般工業(yè)： 交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè) 交通運輸： 電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海 電力系統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償 電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動力 家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調 其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置 1.3電力電子技術的重要作用： (1) 優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調查，潛在節(jié)電總量相當于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應用電力電子技術是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達10%-40%，我國已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應用項目。 (2) 改造傳統(tǒng)產業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產業(yè)。據(jù)發(fā)達國家預測，今后將有95%的電能要經電力電子技術處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機電設備中，有95%與電力電子產業(yè)有關，特別是，電力電子技術是弱電控制強電的媒體，是機電設備與計算機之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產業(yè)和新興產業(yè)采用微電子技術創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機作用的保證和基礎。 (3) 電力電子技術高頻化和變頻技術的發(fā)展，將使機電設備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實現(xiàn)最佳工作效率，將使機電設備的體積減小幾倍、幾十倍，響應速度達到高速化，并能適應任何基準信號，實現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。 (4) 電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術與電力電子技術一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術的重大改革。有人甚至提出，電子學的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設備和電網為對象的電子技術應用領域，電力電子技術將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。1.4電力電子技術的發(fā)展從20世紀50年代中到70年代末，以大功率硅二極管、雙極型功率晶體管和晶閘管應用為基礎（尤其是晶閘管）的電力電子技術發(fā)展比較成熟。70年代末以來，兩個方面的發(fā)展對電力電子技術引起了巨大的沖擊。其一為微機的發(fā)展對電力電子裝置的控制系統(tǒng)、故障檢測、信息處理等起了重大作用,今后還將繼續(xù)發(fā)展;其二為微電子技術、光纖技術等滲透到電力電子器件中，開發(fā)出更多的新一代電力電子器件。其中除普通晶閘管向更大容量（6500伏、3500安）發(fā)展外，門極可關斷晶閘管(GTO)電壓已達4500伏，電流已達 25003000安；雙極型晶體管也向著更大容量發(fā)展，80年代中后期其工業(yè)產品最高電壓達1400伏，最大電流達400安,工作頻率比晶閘管高得多,采用達林頓結構時電流增益可達75200。 隨著光纖技術的發(fā)展，美國和日本于19811982年間相繼研制成光控晶閘管并用于直流輸電系統(tǒng)。這種光控管與電觸發(fā)的晶閘管相比，簡化了觸發(fā)電路，提高了絕緣水平和抗干擾能力，可使變流設備向小型、輕量方向發(fā)展，既降低了造價，又提高運行的可靠性。同時，場控電力電子器件也得到發(fā)展，如功率場效應晶體管(power MOSFET)和功率靜電感應晶體管(SIT)已達千伏級和數(shù)十至數(shù)百安級的電壓、電流等級，中小容量的工作頻率可達兆赫級。由場控和雙極型合成的新一代電力電子器件，如絕緣柵雙極型晶體管（IGT或IGBT）和MOS控制晶閘管（MCT）也正在興起,容量也已相當大。這些新器件均具有門極關斷能力，且工作頻率可以大大提高，使電力電子電路更加簡單，使電力電子裝置的體積、重量、效率、性能等各方面指標不斷提高，它將使電力電子技術發(fā)展到一個更新的階段。與此同時，電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置的計算機模擬和仿真技術也在不斷發(fā)展。本課程簡介本書在介紹電力電子技術基本理論和基本概念的同時，重視對研究對象問題提出、方案對比、分析思路等研究能力的訓練和培養(yǎng)，并嘗試研究型思維的啟發(fā)與訓練。在內容安排上，本書針對本科生的教學特點，力圖避免新技術、新理論的簡單羅列。本書共分為7章，包括：緒論、電力電子器件及應用、DC-DC變換器、DC-AC變換器（無源逆變電路）、AC-DC變換器（整流和有源逆變電路）、AC-AC變換器、軟開關轉換器。每章后都附有本章小結和思考題，便于教師教學和學生自學。2.1電力電子器件：常用電力電子器件的基本結構、工作原理、外特性、主要參數(shù)、開關特性、安全工作區(qū)。這些器件的驅動電路和緩沖電路。2.1.1根據(jù)開關器件是否可控分類(1) 不可控器件 二極管VD是不可控器件。(2) 半控器件 普通晶閘管SCR是半控器件。(3) 全控器件 GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。2.1.2 根據(jù)門極)驅動信號的不同(1) 電流控制器件 驅動功率大，驅動電路復雜，工作頻率低。該類器件有SCR、GTO、BJT。(2) 電壓控制器件 驅動功率小，驅動電路簡單可靠，工作頻率高。該類器件有功率MOSEET、IGBT。2.1.3 根據(jù)載流子參與導電情況之不同，開關器件又可分為單極型器件、雙極型器件和復合型器件。(1) 單極型器件 功率MOSFET 。 (2) 雙極型器件 二極管、SCR、GTO、BJT。(3) 復合型器件IGBT，是電力電子器件發(fā)展方向。電力電子器件中電壓，電流額定值從高往低的器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。工作頻率從高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO和SCR。2.2 DC-DC變換器2.2.1主要內容：降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器的拓撲結構、工作原理、在電流連續(xù)和斷續(xù)模式下的各物理量之間的函數(shù)關系；全橋式直流-直流變換器在單極性和雙極性控制方式時的工作原理；影響直流-直流變換器輸出電壓紋波的因素；幾種不同變換器的開關利用率。 本次討論了幾種主要型式的直流-直流變換器的拓撲結構。除了全橋式直流-直流變換器以外，其他變換器只能在電壓-電流相平面的單象限運行，即功率只能單方向傳遞。而全橋式直流-直流變換器可以在四個象限運行。直流-直流變換器也稱為斬波器，通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載上，通過改變占空比改變輸出電壓平均值。直流-直流變換器主要有如下幾種基本型式：（1）降壓直流-直流變換器(Buck Converter)（2）升壓直流-直流變換器(Boost Converter)（3）降壓-升壓復合型直流-直流變換器(Buck- Boost Converter)（4）全橋式直流-直流變換器(Full Bridge Converter) 2.2.2直流-直流變換器的控制基本的直流-直流變換器和它的輸出波形 開關管導通時，輸出電壓等于輸入電壓Ud；開關管斷開時，輸出電壓等于0。輸出電壓波形如上圖所示，輸出電壓的平均值Uo為式中 Ts開關周期 D開關占空比，1.改變負載端輸出電壓有3種調制方法：（1）開關周期Ts保持不變，改變開關管導通時間ton。也稱為脈寬調制(PWM)。（2）開關管導通時間ton保持不變，改變開關周期Ts。（3）改變開關管導通時間ton，同時也改變開關周期Ts。 方式1的PWM是最常見的調制方式，這主要是因為后2種方式改變了開關頻率，而輸出級濾波器是根據(jù)開關頻率設計的，顯然，方式1有較好的濾波效果。給定電壓與實際輸出電壓經誤差放大器得到誤差控制信號coo，該信號與鋸齒波信號比較得到開關控制信號，控制開關管的導通和關斷，得到期望的輸出電壓。鋸齒波的頻率決定了變換器的開關頻率。一般選擇開關頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。 2.直流-直流變換器有兩種不同的工作模式：（1）電感電流連續(xù)模式（2）電感電流斷續(xù)模式在不同的情況下，變換器可能工作在不同的模式。因此，社稷變換器和它的控制器參數(shù)時，應該考慮這兩種不同的工作模式的特性。降壓變換器 降壓變換器也稱為Buck變換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。2.3 DC-AC變換器（無源逆變電路）電壓型和電流型變換器原理；SPWM型變換器。直-交變換器就是把工頻交流電先通過整流器整流成直流，而后再通過變換器，把直流電逆變成為頻率可調的交流電。直-交變換器可分為電壓型和電流型。SPWM型變換器是給逆變器固定的直流電壓，通過開關元件有規(guī)律的導通和關斷，得到由寬度不同的脈沖組成的電壓波形，削弱和消除某些高次諧波，得到具有較大基波分量的正弦輸出電壓。2.3.1電壓型變換器 1.電路結構 電壓型變換器的特點是直流電源接有很大的濾波電容，從逆變器向直流電源看過去電源內阻為很小的電壓源，保證直流電壓穩(wěn)定。 2.輸出電壓波形開關元件每隔60電角度按標號1、2、3、4、5、6的次序導通，每個元件導通180就關斷，即同一支臂的兩個元件一個導通，另一個關斷，經過360完成輸出電壓波形的一個周期。這種變換器向對稱的星形連接的負載供電，輸出線對中點的電壓即相電壓波形，在每個周期中有六個不同狀態(tài)，故稱六階梯波。狀態(tài)1，060期間，開關元件5、6、1導通，相當于5、6、1開關閉合。輸出端U、W接到電源正極，V端接電源負極，線電壓UUV=Ud，UVW= -Ud，UWU=0，UUN=UWN=+Ud/3，UVN= -Ud/3。依次類推其他5個狀態(tài)內UUN。UVN和UWN波形與UUN一樣，只是時間上滯后120和240。 綜上所述，直-交變頻原理為頻率不變的交流電源經整流器變?yōu)橹绷麟姡俳浤孀兤?，在其開關元件有規(guī)律的導通和關斷，即每隔60導通一個，導通180后關斷，一個周期中變換器輸出的線電壓為方形波，相電壓為六階梯波的交流電。改變元件導通與關斷的頻率快和慢，就能改變輸出交流電頻率高和低，改變直流環(huán)節(jié)電壓高和低，就能調節(jié)交流輸出電壓幅值大與小。 2.3.2電流型變換器 1.電路結構電流型變換器的電路原理圖如圖5-7所示，電流型變換器的特點是直流電源接有很大的電感，從逆變器向直流電源看過去電源內阻為很大的電流源，保證直流電流基本無脈動。 2.工作原理電流型變換器的基本工作方式是120 導通方式，即每個開關管導通120，按VT1到VT6的順序每隔60依次導通。其變換器輸出電流波形如圖5-8所示。在電流型變換器中，為吸收換相時負載電感中的能量，如圖5-7所示，在交流輸出側加入了電容器。在換相時，由于負載電感中的能量給電容充電，從而變換器的輸出電壓出現(xiàn)電壓尖峰。 2.3.3脈寬調制(PWM)變換器 功率晶體管、功率場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管(BJT、MOSFET、IGBT)是自關斷器件。用它們作開關元件構成的SPWM變換器，可使裝置的體積小、斬波頻率高、控制靈活、調節(jié)性能好、成本低。SPWM變換器，簡單地說，是控制逆變器開關器件的通斷順序和時間分配規(guī)律，在變換器輸出端獲得等幅、寬度可調的矩形波。這樣的波形可以有多種方法獲得。SPWM變換器，從載波信號的極性分有單極性和雙極性脈寬調制方法。從載波信號與調制信號的關系分有同步、異步和分段同步調制的控制方式方法?，F(xiàn)在多采用微機產生SPWM的方法和專門產生SPWM波形的大規(guī)模集成電路芯片。 2.4 AC-DC變換器（整流和有源逆變電路）2.4.1簡介在逆變電路中，把直流電能經過直交變換，向交流電源反饋能量的變換電路稱之為有源逆變電路，相應的裝置稱為有源逆變器。 有源逆變與無源逆變的區(qū)別：逆變電源就是把直流電逆變成交流電。有有源逆變也有無源逆變。比如說直流電壓，經過一個簡單的單相H型晶閘管橋，H的橫就是那個輸出，H的豎線上各有四個晶閘管，編號上12，下34，則分別開通14和23就得到正負相隔的輸出電壓和電流了，逆變電源的應用是很廣的， 無源逆變電路 出端交流電能直接輸向用電設備的逆變電路。生產實踐中常要求把工頻交流電能或直流電能變換成頻率和電壓都可調節(jié)的交流電能供給負載，這就需要采用無源逆變電路。在電力電子電路中，除指明為有源逆變電路者外，均為無源逆變電路。 2.4.2工作原理逆變電路采用三相橋式結構。由于采用負載換流方式，故橋中開關元件可采用普通晶閘管。其出端A、B、C經限流電感L、Lb和Lc與公共電網聯(lián)結。此處三相電網作為逆變電路負載接受其饋入電能，橋中各晶閘管T1T6均工作于開關狀態(tài)，采用相控方式（見電力電子電路）。各晶閘管的導通時刻由加到各門極脈沖的相位決定。逆變橋可視為按一定時序依次輪番通斷的 6只開關。但在任何穩(wěn)定導通狀態(tài)中，橋中只有兩支元件處于導通狀態(tài)(其余為阻斷狀態(tài))。例如在某一時刻有T1和T2導通，則有id=iA=-iC，即直流電流 id此時作為電網相電流iA和ic流向公共電網；而在另一時刻有T4和T5導通，則id=ic=-iA，由前述id為平滑連續(xù)直流電流。由于橋中各開關的輪番通斷，iA和ic均為交變方波。同理可知iB也為交變方波。由此可見,若門極脈沖的基本重復頻率保持與公共電網同步，則各相電流的重復頻率也必然與電網同步，這樣電網就得到由直流端提供的、由逆變電路轉換的交流功率。2.5 AC-AC變換器2.5.1 簡介交-交(AC-AC)變換，將交流電能的參數(shù)(幅值或頻率)加以變換。其中：改變交流電壓有效值稱為交流調壓；將工頻交流