電力電子技術(shù)及應(yīng)用論文

1、電力電子技術(shù)及應(yīng)用引言：自本世紀(jì)五十年代未第一只品閘管問世以來，電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代 電氣傳動技術(shù)舞臺。從工程應(yīng)用的角度看，無論是電力、機(jī)械、礦冶、交通、石 油化工、輕紡等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是通信、激光、機(jī)器人、環(huán)保、原子能、航天等高 科技產(chǎn)業(yè)，都迫切需要提供高質(zhì)量的電能，特別是要求節(jié)能。而電力電子則是實(shí) 現(xiàn)將各種能源高效率地變換成高質(zhì)量電能、節(jié)能、環(huán)保和提高人民生活質(zhì)量的 重要手段，它已經(jīng)成為弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行之間，信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間， 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化、智能化、節(jié)能化、機(jī)電一體化的橋梁。電力電子的突出 特點(diǎn)是高效、節(jié)能、省材，所以電力電子已成為我國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)， 是現(xiàn)代科

2、學(xué)、工業(yè)和國防的重要支撐技術(shù)。因此，無論上述諸多高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域, 還是各種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，乃至照明、家電等量大面廣的，與人民日常生活密切相關(guān)的 應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子產(chǎn)品已無所不在。電力電子技術(shù)概述電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用與電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電 子器件（如品閘管，GTO, IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子 技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至仔叩，也可小全數(shù)W甚至1W以下， 和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)主要用于電力變換。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)（整流，逆變，斬波， 變頻，變相等）兩個分支。電力電子技術(shù)現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與

3、自動化專業(yè) 的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉二形成的。其概 念的基礎(chǔ)就是由于品閘管和品閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。電力電子技術(shù)的 應(yīng)用范圍及其廣泛，比如優(yōu)化電能使用，通過電力電子技術(shù)對電能的處理，使 電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化；改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和 發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)，電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè) 備與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了 條件，成為發(fā)揮計(jì)算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)；電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的 發(fā)展，將是機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展，實(shí)

4、現(xiàn)最佳工作效率， 將使機(jī)電設(shè)備的體積減小幾倍、幾十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何 基準(zhǔn)信號，實(shí)現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途；電力電子智能化的發(fā)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(shù)與電力電子技術(shù)一體化， 其發(fā)展可能引起電子技術(shù)的重大改革。電力電子技術(shù)的內(nèi)容可分為：1、電力電子器件；2、相控型整流器和有源逆變電路；3、直流電壓變換電路；4、交流 電壓變換電路；5、電力電子應(yīng)用技術(shù)。電力電子器件常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、外特性、主要參數(shù)、開關(guān)特性、安 全工作區(qū)。1、根據(jù)開關(guān)器件是否可控分類1、根據(jù)開關(guān)器件是否可控分類不可控器件：二極管VD。半控器件：普通品閘管

5、SCR。全控器件：GTO、BJT、功率 MOSFET、IGBT 等。根據(jù)門極(柵極)驅(qū)動信號的不同電流控制器件驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，工作頻率低。該類器件有SCR、GTO、BJT。電壓控制器件驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單可靠，工作頻率高。該類器件有功率MOSEET、 IGBT。根據(jù)載流子參與導(dǎo)電情況之不同，開關(guān)器件又可分為單極型器件、雙極型器 件和復(fù)合型器件。單極型器件功率MOSFET。雙極型器件二極管、SCR、GTO、BJT。復(fù)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

6、MOSFET、IGBT、 BJT、 GTO 和 SCR可控整流器與有源逆變器：主要內(nèi)容：整流器的結(jié)構(gòu)形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各參數(shù)的 數(shù)學(xué)關(guān)系和設(shè)計(jì)方法;整流器工作在逆變狀態(tài)時的工作原理、工作波形。變壓器 漏抗對整流器的影響、整流器帶電動機(jī)負(fù)載時的機(jī)械特性、觸發(fā)電路等內(nèi)容。學(xué)習(xí)重點(diǎn)包括:學(xué)習(xí)不同型式整流電路的工作原理，波形分析與數(shù)值計(jì)算、各種負(fù)載對 整流電路工作情況的影響。變壓器漏抗對整流電路的影響，重點(diǎn)建立換相壓降、換相重疊角等概念， 并掌握相關(guān)的計(jì)算，熟悉漏抗對整流電路工作情況的影響。掌握產(chǎn)生有源逆變的條件、逆變失敗及最小逆變角的限制等。熟悉鋸齒波移相觸發(fā)電路的原理，建

7、立同步的概念，掌握同步電壓信號 的選取方法。交-交變換器：主要內(nèi)容：品閘管單相和三相交流調(diào)壓器；全控型器件的交流斬波電路；交-交變頻器; 交-交(AC-AC)變換器的應(yīng)用。交流調(diào)壓電路通常由品閘管組成，用于調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。與常規(guī)的 調(diào)壓變壓器相比，品閘管交流調(diào)壓器有體積小、重量輕的特點(diǎn)。其輸出是交流 電壓，但它不是正弦波形，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低?？刂品椒ǎ?1)通斷控制。即把品閘管作為開關(guān)，通過改變通斷時間比值達(dá)到調(diào)壓的目的。 這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于有較大時間常數(shù)的負(fù)載；缺點(diǎn)是 輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。(2)相位控制。它是使品閘管在電源電壓每一周期中、在選定

8、的時刻將負(fù)載 與電源接通，改變選定的時刻可達(dá)到調(diào)壓的目的?；窘Y(jié)構(gòu)和工作原理單相交-交變頻電路由兩組反并聯(lián)的品閘管整流器構(gòu)成，和直流可逆調(diào)速系 統(tǒng)用的四象限變換器完全一樣，兩者的工作原理也相似。直流-直流變換器：主要內(nèi)容：降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、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(guān)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(guān)利用率。本次討論了幾種主要型式的直流-直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(yùn)行，即

9、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(yùn)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(fù)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：降壓直流-直流變換器(Buck Converter)升壓直流-直流變換器(Boost Converter)降壓-升壓復(fù)合型直流-直流變換器(Buck- Boost Converter)丘克直流-直流變換器交-直-交變換器:主要內(nèi)容：電壓型和電流型變換器原理；SPWM型變換器。簡介交-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

10、為頻率可調(diào)的交流電。交-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(guān)元件有規(guī)律的導(dǎo)通和關(guān)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。電力電子技術(shù)應(yīng)用變換器的保護(hù)電路，保護(hù)電路包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)和電壓上升率、電流上 升率的限制。過壓保護(hù)引起過壓的原因操作過電壓：由拉閘、合閘、快速直流開關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過 程引起的過壓。浪涌過壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變換器的過壓。 電力電子器件關(guān)斷過電壓：電力電子器件關(guān)斷時產(chǎn)生的過壓。在電力電子變換 器-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于電動機(jī)回饋制

11、動造成直流側(cè)直流電壓過高產(chǎn)生的過 壓。也稱為泵升電壓。過壓保護(hù)方法過壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附 加電路，當(dāng)達(dá)到一定過壓值時，自動開通附加電路，使過壓通過附加電路形成 通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上， 保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多，也很復(fù)雜。雷擊過壓可在變壓器初級接避雷器加以保護(hù)。二次電壓很高或電壓比很大的變壓器，一次側(cè)合閘時，由于一次、二 次繞組間存在分布電容，高電壓可通過分布電容耦合到二次側(cè)而出現(xiàn)瞬時過壓。 可采取變壓器附加屏蔽層接地或變壓器星形中點(diǎn)通過電容接地的方法來減小。泵升電壓保護(hù)當(dāng)電動機(jī)回饋制動時，電動機(jī)

12、的動能轉(zhuǎn)換成電能回饋到 直流側(cè)，引起直流側(cè)電壓升高，當(dāng)電壓升高到一定值時，會造成變換器的過電 壓。通常采用開關(guān)電路將能量消耗在電阻上。阻容保護(hù)電路將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變 的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生 振蕩。RC阻容保護(hù)電路可以設(shè)置在變換器裝置的交流側(cè)、直流側(cè)?？偨Y(jié)：電力電子學(xué)，又稱功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力 電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成 對電能的變換和控制。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個分支，又是電工學(xué)在 弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個分支，或者說是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科 學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領(lǐng)域的一個新興工 程技術(shù)學(xué)科。電有直流(DC)和交流(AC)兩大類。前者有電壓幅值和極性的不同，后者除電壓 幅值和極性外，還有頻率和相位的差別。實(shí)際應(yīng)用中，常常需要在兩種電能之 間，或?qū)νN電能的一個或多個參數(shù)(如電壓，電流，頻率和功率因數(shù)等)進(jìn)行 變換。變換器共有四種類型：交流-直流(AC-DC)變換：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。直流-交流(DC-AC)變換：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這是與整流相反的變換，也 稱為逆變。當(dāng)輸出接電網(wǎng)時