電力電子技術(shù)講義 第3講(概念、發(fā)展及基本應用簡介).

1、電力電子技術(shù) 第3講概念、發(fā)展及基本應用簡介概述： 電力電子的定義 國際電器和電子工程師學會（IEEE）的電力電子學會將電力電子技術(shù)表述為：有效的使用電力半導體器件，應用電路和設計理論及分析開發(fā)工具,實現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術(shù)，它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換。 是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學科，與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術(shù)等諸多領(lǐng)域密切相關(guān)。概述： 電力電子器件的特點 電力半導體器件的基本特點是能以小信號輸入控制很大的輸出，放大倍數(shù)極大。電力電子設備成為強弱電之間的接口技術(shù)基礎。微電子技術(shù)(信息處理技術(shù))與計算機技術(shù)的新成就,可以通過

2、它移植到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品。電力半導體器件的另一基本特點是工作于開關(guān)狀態(tài),正向壓降低而反向漏電流小,從而在理論上保證了各類電力電子設備都具有節(jié)能性能。概述： 電力電子器件的發(fā)展概況 電力半導體器件工作方式為開關(guān)方式： 1、傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)以晶閘管(SCR)為核心,其派生器件快速SCR、通導SCR(RTC)、雙向SCR(TRIAC)、不對稱SCR(ASCR)形成一個SCR大家族。概述： 電力電子器件的發(fā)展概況 （續(xù)） 2、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以高頻化、全控型的功率集成器件為基礎發(fā)展的,以可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、功率場控晶體管(功率MOSFET)、絕緣柵級雙極型晶體管(IGBT)、靜

3、電感應晶體管(SIT)、靜電感應晶閘管(SITH)、MOS晶閘管(MCT)以及MOS 晶體管(MGT)等形成一個新型的全控型電力電子器件的大家族。概述： 電力電子器件的發(fā)展概況 （續(xù)） 現(xiàn)代電力電子技術(shù)在器件、電路及其控制技術(shù)方面與傳統(tǒng)電力電子技術(shù)相比有以下特點: u 集成化、模塊化、復合化 u 高頻化 u 全控化 u 電路弱電化、控制技術(shù)數(shù)字化 u 多功能化電力電子技術(shù)的應用 1、電力電子技術(shù)應用于從發(fā)電廠設備至家用電器的所有電氣工程領(lǐng)域。 2、按功能可分為以下幾種類型: 整流器固定的AC變?yōu)榭烧{(diào)的DC 逆變器固定的DC變?yōu)榭烧{(diào)的AC 斬波器固定的DC變?yōu)榭烧{(diào)的DC 交流調(diào)壓器固定的AC變?yōu)?/p>

4、可調(diào)的AC （幅值可調(diào)） 周波變流器固定的AC變?yōu)榭烧{(diào)的AC （頻率和幅值可調(diào)）電力電子技術(shù)的應用 （續(xù)） 3、新型全控器件的發(fā)展為新型變流電路奠定基礎: 脈寬調(diào)制技術(shù)PWM（Pulse Width Modulation）廣泛應用于斬波器和逆變器。 雙零開關(guān)諧振電路：零電壓ZVS和零電ZCS流開關(guān)（Zero Voltage and Zero Current Switchs）電力電子技術(shù)的展望 1、器件 2、電路的控制技術(shù) 3、新應用: 能量儲存設備 有源濾波器 超導懸浮鐵道系統(tǒng) 電子化汽車 小型化開關(guān)電源 家用電器 電力電子技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳

5、統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術(shù)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(shù)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(shù)在許多新領(lǐng)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MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。逆變器時代 七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(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

6、體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)取＿@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)。 變頻器時代 進入八十年代,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。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導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

7、子轉(zhuǎn)化的標志。變頻器時代 新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(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,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎?，F(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 計算機高效率綠色電源 高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進人了電子、電器設備領(lǐng)域。 計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l9

8、92年6月17日“能源之星計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的外圍設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源?，F(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 通信用高頻開關(guān)電源 通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。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(guān)電源取代，開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。 因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功

9、率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊, 這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便?，F(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 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(shù)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)壓的作用(開關(guān)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變換器已商品化現(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 不間斷電源(UPS) 不間斷電源(UPS)是計算機、通

10、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)換開關(guān)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(guān)來實現(xiàn)。 現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)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(shù)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?，F(xiàn)代電

11、力電子的應用領(lǐng)域 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。 國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻

12、空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點現(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 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,供電弧使用?，F(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 大功率開關(guān)型高壓直流電源 大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應用于靜電

13、除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。 國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz現(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 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(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:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; (2)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?，F(xiàn)代電力電子的應用領(lǐng)域 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)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術(shù)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