电力电子技术及其应用概论论文.doc

电力电子技术及其应用概论课论文摘要：二十世纪影响人类最大的工程技术成就排名排在第一位的是电力系统，电力电子技术的应用在我们无处不在作为大学生我们应该或多或少了解一些。本课程主要从电力电子技术的基础入手，以变频空调等采用电力电子技术的家用电器为例，掌握常用的电力电子器件和变换电路的基础知识，包括半导体器件的工作原理、常用整流电路与应用举例、常用逆变电路与应用举例、PWM控制技术、变频空调等。另外选择整流电路进一步分析应用。关键字：电力电子技术 应用 整流电路 逆变电路 能源第一节电力电子技术及其应用课陈老师主要做课程的总体介绍。首先老师介绍了自己的个人信息，课件邮箱，推荐的书籍及网站还有本门课程的考核形式。老师列出的二十世纪对人类影响最大工程技术成就排名，电力系统排名第一，然而当初选的这门课并非因为它对我的影响有多大，纯粹是毫无目的的选。但我想既然选了就要认真去完成。第一讲内容 课程总体安排 绪论电力电子技术及其应用这门课程的内容与目的是了解电力电子技术发展的概括和最新动态，了解电力电子技术的应用领域。本课程分为了三大部分：第一部分课程的基础，第二部分课程的主体，第三部分课程的发展。学习电力电子技术及其应用这门课的技巧及方法主要有三点：变流电路工作在开关状态（非线性）；熟知三相交流电之间的相序和波形图；分析电路的工作原理，了解各种电路的输入电压、输出电压和电流的波形。电力电子学是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的学科（技术），即应用于电力领域的电子技术。电力电子技术的两大分支电力电子技术器件制造技术和交流技术也就是电力电子器件的应用技术。电力电子学与电力学电子学控制理论学有着紧密的联系。电力电子学的发展史大体分为两个阶段： 19571980年，传统电力电子技术； 1980年至今，现代电力电子技术。器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。电子器件先后出现了电子管、水银整流器、晶闸管、IGBT及功率集成器件。现代电力电子技术与微电子技术相结合主要特点是集成化、高频化、全控化、数字化。电力电子器件可分为不控型器件、半控型器件、全控型器件。电力变换四大类：交流直流(AC-DC)，直流交流(DC-AC)，直流直流(DC-DC)，交流交流(AC-AC)。另外还有四种辅助电路：控制、驱动、缓冲、保护电路。电力电子技术应用广泛，在我们身边无处不在。如交通运输、家用电器等等。第二讲内容 电力电子技术基础知识1. 电路的基本概念与基本定律2. 正弦交流电路基础电路由三部分组成：电源、中间环节、负载。电能的优越性在于便于转换、运输和控制。交流电产生的原理是线圈切割磁感线产生感应电动势。发电机产生的电动势是随时间 t 按正弦规律变化的，故称之为正弦交流电动势。正弦量的瞬时表达式：正弦交流电有三个要素：最大值、角频率和初相位。角频率=2f。两个同频率正弦交流电的相位之差叫做相位差，用符号Dj 表示。当相位差 0 Dj =j1-j2 时，称u1超前u2 Dj 角；或称u2滞后u1 Dj 角。三种元件：电阻、电感、电容。含电阻元件的电路中电压与电流同频同相。电感元件是线圈的理想化模型。电感的单位是亨利（H）或毫亨利（mH）。法拉第电磁感应定律：线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通量变化率成正比。安培定则：感应电动势的正方向与磁通的正方向之间符合右手螺旋定则。电感电路的几个特点：电感上的电流变化会产生感应电动势，它起到阻碍电流变化的作用，电感线圈上的电流不会发生突变，电压可以突变。电感上的电压超前电流p/2。电感不消耗有功功率，但与电源之间存在着能量交换储能作用（磁场能）。电磁感应在家电中的一个应用是电磁炉。电容：在极板（由绝缘材料隔开的两个金属板）能储存（容纳）电荷的元件，称为电容。用大写字母C表示，单位为法拉（F）。主要具备电容特性的器件称为电容器。电容有以下几个特点：电容上电荷量的变化会引起电压的变化，电荷量不会发生突变，它起到阻碍电压变化的作用；电容上的电流超前电压p/2；电容元件具有“通交流、隔直流”的作用，故在直流电路中可视为开路；电容不消耗有功功率，但与电源之间存在着能量交换储能作用（电场能）。电容电路的一个应用是静电喷雾。第三讲内容 单相供电与三相供电 半导体器件的工作原理在一个电机中安装3组独立的互成120角的线圈。这样，一台发电机就能同时生产出3相独立的交变电流，称为三相交变电流。在生产、生活中大量应用的都是三相交变电流。这是因为三相输电比单相输电：1、节省单线材料2、电机性能好经济效益高。 三相交流发电机与单相交流发电机一样，主要组成部分是电枢线圈和磁极。电动势的瞬时值： 电源的星形联结如下图：把发电机三相绕组的末端U2、V2、W2联成一点N，而把始端U1、V1、W1作为与外电路相联接的端点，端点引出的导线叫端线俗称火线N点称为中性点，从中性点引出的线叫中性线或零线，有时接地因此又叫地线。 电源与负载的联接方式有三相三线制和三相四相制，如下图后两个是对称三相前三个是非对称三相然而在电能输送过程中高压直流相比高压交流具有一下优越性：输送相同功率时，直流输电所用线材仅为交流输电的23l2；稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗；直流输电时，其两侧交流系统不需同步运行直流输电发生故障的损失比交流输电小在直流输电线路中，各级是独立调节和工作的，当一极发生故障时，只需停运故障极，另一极仍可输送不少于一半功率的电能但在交流输电线路中，任一相发生永久性故障，必须全线停电。下图是直流输电系统，只有在输电过程是直流。但是现在直流输电并不非常普及，直流输电交换设备存在制造难、造价高等问题。半导体器件工作原理：硅和锗的单晶称为本征半导体，它们的原子排列有规律通过共价键把相邻的原子牢固联系在一起。它们是制造半导体器件的基本材料。本征半导体某些价电子在高温条件下发生本征激发。半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。杂质半导体分为P型和N型半导体，掺入五价杂质便是N型半导体，五价元素是施主杂质正离子。掺入三价杂质便是P型半导体，三价元素称为受主杂质负离子。两种导电机理：电场作用下产生的漂移电流和非平衡载流子浓度差作用下产生的扩散电流。前者与电场强度成正比，后者与浓度梯度成正比。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结具有单向导电性，二极管正是利用了它的这个特性。典型二极管在常温时的伏安特性如下：正向工作区击穿区反向工作区 TVTRa)u1u2uudidVTug第四讲 电力电子器件介绍 交流直流变换电路（整流电路）电力电子器件系统由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。整流电路也即是将交流电变为直流电的电路。1、利用功率二极管的整流电路。这种电路是不可控的，二极管的特性设为理想的，电感容量足够大。2、相控整流电路。分为单相半波可控整流电流和单相桥式全控整流电流。单向半波可控整流电路带电阻负载（如上图右）通过整流变压器T得到一个负载所需要的电压u2，作为整流电路的输入电压。电压与电流成正比，两者波形相同。直流输出电压的平均值是带阻感负载电路电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。a)带阻感负载电路图单相桥式全控整流电流。带电阻负载工作情况：由四个晶闸管组成两对桥臂，可为各种性质的负载供电。工作原理：VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。如下图左，其波形图如下右 单相全波可控整流电路。单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。整流电路在恒压恒频电源的应用。下图为UPS工作原理图：其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电，能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题；由于需要较大的投资，通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中。三相可控整流电路：1三相半波可控整流电路；2电容滤波的不可控整流电路。三相半波可控整流电路带电阻负载的工作特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法。带阻感负载工作特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。带阻感负载带电阻负载 电容滤波的三相不可控整流电路基本原理：某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。第五讲 整流电路的工作原理左手定则：伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并都与手掌在同一平面上。磁力线垂直地进入手心，其余四指指向电流方向，这时拇指所指的方向就是磁场对电流作用力（安培力）的方向。右手定则：伸开石手，使拇指与其余四指垂直，并都和手掌在同一平面内。磁力线垂直地从手心进入，使拇指指向导体运动的方向，这时其余四指所指的方向就是感生电流的方向。直流电动机调速原理：在负载转矩一定的情况下，要改变电机转速可有以下方法：电流 Ia不变，改变外磁场B强度；外磁场B强度不变，改变电流Ia的大小。直流电机的基本结构：直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有空隙,称为气隙。定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。直流变速空调工作原理：空调的工作原理：利用物质汽化蒸发时吸收热量而实现降温。现在用的物质是氟利昂高压液态制冷剂（如R22），经过节流后在蒸发器蒸上吸收空气中的热能，变成了低压的汽态制冷剂；而低压的汽态制冷剂又流入压缩机进行压缩后变成高温高压的汽态制冷剂，再经过冷凝器进行冷却降温降压后，出来的又是高压的液态制冷剂又经过节流后经过蒸发器蒸发，就这样循环利用；而蒸发器上面有个风扇使空气循环经过蒸发器，从而实现对室内空气降温。“变频空调”的变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度大大提高。而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。第六讲 逆变电流课堂上老师让我们先看视频：全民在行动。关于节能产品，如节能灯、冰箱等。但目前遇到的问题是产品成本高，节能工作有待加强。将直流变交流称为逆变电流。逆变电流分为有源逆变和无源逆变。逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。带电阻负载：I与U的相位一致，带阻感负载：I滞后于U。逆变电流换流方式分类：器件换流适用于全控型器件。器件换流和强迫换流属于自换流。电网换流和负载换流属于外部换流。逆变电路分为电压型逆变和电流型逆变。电压型逆变的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。单相电压型逆变电路(1) 半桥逆变电路(2) 全桥逆变电路三相电压型逆变电路（略）PWM控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值)【1】。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。PWM技术控制的重要基础理论是面积等效原理。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。逆变电路的应用：三相异步电动机的工作原理：三相异步电动机由定子的旋转磁场切割转子导体，使转子产生电流，再与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩而使转子转动。交流变频空调工作原理：把工频交流电转换为直流电源，并把它送到功率模块(IGBT等电力电子器件)；同时功率模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可调的交变电源(合成波形近似正弦波)，使压缩机电机的转速随电源频率的变化作相应的变化，从而控制压缩机的排量，调节制冷量或制热量。交流变频空调的主要特点是启动电流低、低温运行性能好、控温波动小、电网电压适应性强、控温速度快。这种空调的缺点是价格较高，对元器件的要求高，故障率高，会产生谐波污染。第七讲 电力电子技术在开发利用绿色能源的应用简介上课之前看到视频关于沼气能，是一种清洁能源。我国目前的能源使用效率低，主要能源来自火力发电。地球上的能源是有限的，能源问题越来越突出，因此人类应该换个思维，利用绿色可持续发展的能源。绿色能源有狭义的概念也有广义的概念，狭义的绿色能源指可再生能源，如水能。广义的绿色能源则包括在能源的生产及其消费过程中，选用对生态环境低污染或无污染的能源，如天然气。中国的经济实力和科技水平有限，要实现可持续发展从利用绿色能源入手具有重大的意义。核能虽然属于清洁能源，但消耗铀燃料，不是可再生能源，投资较高，因此并不很普及，但在我国利用有增长的趋势。中国电力发展在最近快速增长。风能是一种