电力电子技术课程综述doc.docx

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电力电子技术课程综述doc

HefeiUniversity合肥学院

电子信息与电气工程系

电力电子技术课程综述

系别：

电子信息及电气工程系

专业：

自动化

班级：

姓名:

学号：

摘要：

电力电子技术是在电子、电力与控制技术上发展起来的一门新兴交叉学科，被国际电工委员会（IEC）命名为电力电子学（PowerElectronics）或称为电力电子技术。

近20年来，电力电子技术已渗透到国民经济各领域，并取得了迅速的发展。

作为电气工程及其自动化、工业自动化或相关专业的一门重要基础课，电力电子技术课程讲述了电力电子器件、电力电子电路及变流技术的基本理论、基本概念和基本分析方法，为后续专业课程的学习和电力电子技术的研究与应用打下良好的基础。

关键词：

电力电子技术控制技术自动化电力电子器件

Abstract:

 PowerelectronictechnologyisinElectronics,electricPowerandcontroltechnologydevelopedonanemerginginterdisciplinary,istheinternationalelectrotechnicalcommission（IEC）namedPowerElectronics（PowerElectronics）orcalledPowerelectronictechnology.Nearly20years,powerelectronictechnologyhaspenetratedintoeveryfieldofnationaleconomy,andhaveachievedrapiddevelopment.Aselectricalengineeringandautomation,industrialautomationorrelatedprofessionaloneimportantcourses,powerelectronictechnologycourseaboutpowerelectronicsdevice,powerelectroniccircuits,thebasictheoryofconvertertechnology,thebasicconceptandbasicanalysisforsubsequentspecializedcourseofstudyandpowerelectronictechnologyresearchandapplicationlayagoodfoundation.

Keywords:

Powerelectronictechnologycontroltechnologyautomationpowerelectronicsdevice

绪论

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

1.1电力电子技术简介：

电力电子学（PowerElectronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。

1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）

对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。

这一观点被全世界普遍接受。

“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。

一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。

此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。

70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。

80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。

为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。

目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

1.2电力电子技术的应用：

一般工业：

交直流电机、电化学工业、冶金工业

　　交通运输：

电气化铁道、电动汽车、航空、航海

　　电力系统：

高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿

　　电子装置电源：

为信息电子装置提供动力

家用电器：

“节能灯”、变频空调

　　其他：

UPS、航天飞行器、新能源、发电装置

1.3电力电子技术的重要作用：

（1）优化电能使用。

通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。

例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。

（2）改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。

据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

　　（3）电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。

实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

（4）电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。

有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

1.4电力电子技术的发展

从20世纪50年代中到70年代末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。

70年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。

其一为微机的发展对电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用,今后还将继续发展;其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。

其中除普通晶闸管向更大容量（6500伏、3500安）发展外，门极可关断晶闸管（GTO）电压已达4500伏，电流已达2500～3000安；双极型晶体管也向着更大容量发展，80年代中后期其工业产品最高电压达1400伏，最大电流达400安,工作频率比晶闸管高得多,采用达林顿结构时电流增益可达75～200。

随着光纤技术的发展，美国和日本于1981～1982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。

这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。

同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管（powerMOSFET）和功率静电感应晶体管（SIT）已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。

由场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGT或IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）也正在兴起,容量也已相当大。

这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。

与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展。

本课程简介

本书在介绍电力电子技术基本理论和基本概念的同时，重视对研究对象问题提出、方案对比、分析思路等研究能力的训练和培养，并尝试研究型思维的启发与训练。

在内容安排上，本书针对本科生的教学特点，力图避免新技术、新理论的简单罗列。

本书共分为7章，包括：

绪论、电力电子器件及应用、DC-DC变换器、DC-AC变换器（无源逆变电路）、AC-DC变换器（整流和有源逆变电路）、AC-AC变换器、软开关转换器。

每章后都附有本章小结和思考题，便于教师教学和学生自学。

2.1电力电子器件：

常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。

这些器件的驱动电路和缓冲电路。

2.1.1根据开关器件是否可控分类

（1）不可控器件二极管VD是不可控器件。

（2）半控器件普通晶闸管SCR是半控器件。

（3）全控器件GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。

2.1.2根据门极）驱动信号的不同

（1）电流控制器件驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。

该类器件有SCR、GTO、BJT。

（2）电压控制器件驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。

该类器件有功率MOSEET、IGBT。

2.1.3根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。

（1）单极型器件功率MOSFET。

（2）双极型器件二极管、SCR、GTO、BJT。

（3）复合型器件IGBT，是电力电子器件发展方向。

电力电子器件中电压，电流额定值从高往低的器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。

工作频率从高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO和SCR。

2.2DC-DC变换器

2.2.1主要内容：

降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理；影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；几种不同变换器的开关利用率。

本次讨论了几种主要型式的直流-直流变换器的拓扑结构。

除了全桥式直流-直流变换器以外，其他变换器只能在电压-电流相平面的单象限运行，即功率只能单方向传递。

而全桥式直流-直流变换器可以在四个象限运行。

直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。

直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：

（1）降压直流-直流变换器（BuckConverter）

（2）升压直流-直流变换器（BoostConverter）

（3）降压-升压复合型直流-直流变换器（Buck-BoostConverter）

（4）全桥式直流-直流变换器（FullBridgeConverter）

2.2.2直流-直流变换器的控制

基本的直流-直流变换器和它的输出波形

开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。

输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为

式中Ts—开关周期

D—开关占空比，

1.改变负载端输出电压有3种调制方法：

（1）开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。

也称为脉宽调制（PWM）。

（2）开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。

（3）改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。

方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。

 给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号coo，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。

锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。

一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。

2.直流-直流变换器有两种不同的工作模式：

（1）电感电流连续模式

（2）电感电流断续模式

在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。

因此，社稷变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。

降压变换器

降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。

2.3DC-AC变换器（无源逆变电路）

电压型和电流型变换器原理；SPWM型变换器。

直-交变换器就是把工频交流电先通过整流器整流成直流，而后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可调的交流电。

直-交变换器可分为电压型和电流型。

SPWM型变换器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分量的正弦输出电压。

2.3.1电压型变换器

1.电路结构

电压型变换器的特点是直流电源接有很大的滤波电容，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很小的电压源，保证直流电压稳定。

2.输出电压波形

开关元件每隔60°电角度按标号1、2、3、4、5、6的次序导通，每个元件导通180°就关断，即同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断，经过360°完成输出电压波形的一个周期。

这种变换器向对称的星形连接的负载供电，输出线对中点的电压即相电压波形，在每个周期中有六个不同状态，故称六阶梯波。

状态1，0°~60°期间，开关元件5、6、1导通，相当于5、6、1开关闭合。

输出端U、W接到电源正极，V端接电源负极，线电压UUV=Ud，UVW=-Ud，UWU=0，UUN=UWN=+Ud/3，UVN=-Ud/3。

依次类推其他5个状态内UUN。

UVN和UWN波形与UUN一样，只是时间上滞后120°和240°。

综上所述，直-交变频原理为频率不变的交流电源经整流器变为直流电，再经逆变器，在其开关元件有规律的导通和关断，即每隔60°导通一个，导通180°后关断，一个周期中变换器输出的线电压为方形波，相电压为六阶梯波的交流电。

改变元件导通与关断的频率快和慢，就能改变输出交流电频率高和低，改变直流环节电压高和低，就能调节交流输出电压幅值大与小。

2.3.2电流型变换器

1.电路结构

电流型变换器的电路原理图如图5-7所示，电流型变换器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电流基本无脉动。

2.工作原理

电流型变换器的基本工作方式是120º导通方式，即每个开关管导通120º，按VT1到VT6的顺序每隔60º依次导通。

其变换器输出电流波形如图5-8所示。

在电流型变换器中，为吸收换相时负载电感中的能量，如图5-7所示，在交流输出侧加入了电容器。

在换相时，由于负载电感中的能量给电容充电，从而变换器的输出电压出现电压尖峰。

2.3.3脉宽调制（PWM）变换器

功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管（BJT、MOSFET、IGBT）是自关断器件。

用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。

SPWM变换器，简单地说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。

这样的波形可以有多种方法获得。

SPWM变换器，从载波信号的极性分有单极性和双极性脉宽调制方法。

从载波信号与调制信号的关系分有同步、异步和分段同步调制的控制方式方法。

现在多采用微机产生SPWM的方法和专门产生SPWM波形的大规模集成电路芯片。

2.4AC-DC变换器（整流和有源逆变电路）

2.4.1简介

在逆变电路中，把直流电能经过直交变换，向交流电源反馈能量的变换电路称之为有源逆变电路，相应的装置称为有源逆变器。

　　有源逆变与无源逆变的区别：

逆变电源就是把直流电逆变成交流电。

有有源逆变也有无源逆变。

比如说直流电压，经过一个简单的单相H型晶闸管桥，H的横就是那个输出，H的竖线上各有四个晶闸管，编号上12，下34，则分别开通14和23就得到正负相隔的输出电压和电流了，逆变电源的应用是很广的，无源逆变电路出端交流电能直接输向用电设备的逆变电路。

生产实践中常要求把工频交流电能或直流电能变换成频率和电压都可调节的交流电能供给负载，这就需要采用无源逆变电路。

在电力电子电路中，除指明为有源逆变电路者外，均为无源逆变电路。

2.4.2工作原理

逆变电路采用三相桥式结构。

由于采用负载换流方式，故桥中开关元件可采用普通晶闸管。

其出端A、B、C经限流电感Lа、Lb和Lc与公共电网联结。

此处三相电网作为逆变电路负载接受其馈入电能，桥中各晶闸管T1～T6均工作于开关状态，采用相控方式（见电力电子电路）。

各晶闸管的导通时刻由加到各门极脉冲的相位决定。

逆变桥可视为按一定时序依次轮番通断的6只开关。

但在任何稳定导通状态中，桥中只有两支元件处于导通状态（其余为阻断状态）。

例如在某一时刻有T1和T2导通，则有id=iA=-iC，即直流电流id此时作为电网相电流iA和ic流向公共电网；而在另一时刻有T4和T5导通，则id=ic=-iA，由前述id为平滑连续直流电流。

由于桥中各开关的轮番通断，iA和ic均为交变方波。

同理可知iB也为交变方波。

由此可见,若门极脉冲的基本重复频率保持与公共电网同步，则各相电流的重复频率也必然与电网同步，这样电网就得到由直流端提供的、由逆变电路转换的交流功率。

2.5AC-AC变换器

2.5.1简介

交-交（AC-AC）变换，将交流电能的参数（幅值或频率）加以变换。

其中：

改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。

2.5.2分类

1.交流电力控制电路——只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率。

（1）交流调压电路——相位控制（或斩控式）

（2）交流调功电路及交流无触点开关——通断控制

2.变频电路——改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的

（1）交交变频电路——直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路

（2）交直交变频电路——先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路。

2.6软开关变换器

2.6.1分类

1.根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。

2.根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

3.每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关单元导出具体电路。

2.6.2重点

1.软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。

2．软开关技术可以分为零电压和零电流两类。

按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类。

每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。

3．零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。

总结

电力电子学,又称功率电子学（PowerElectronics）。

它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。

它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。

电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

本学期，我们开设这门电力电子技术课程，我觉得对以后的工作会有很大的帮助。

最后我要衷心感谢代电力电子技术课程的李老师。

参考文献

1.张兴电力电子技术科学出版社2010.7

2.XX百科

3.XX文库