功率变换技术课程综述

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 Hefei University 功率变换技术课程综述功率变换技术课程综述 授课教师 授课教师 李秀娟李秀娟 系系 别 别 电子信息与电气工程系电子信息与电气工程系 班班 级 级 自动化 自动化 1 1 班 班 姓姓 名 名 刘湘玉刘湘玉 学学 号 号 14050310301405031030 日日 期 期 20172017 年年 5 5 月月 1010 日日 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 摘要摘要 功率变换技术 Power Electronics Technology 是研究电能变换原理及 功率变换装置的综合性学科 是在电子 电力与控制技术基础上发展起来的一 门新兴交叉学科 包括电压 电流 频率和波形变换等知识 涉及电子学 自 动控制原理和计算机技术等学科 本课程综述主要介绍了功率变换技术的概况和该课程所学的几个重要知识 点 并简要介绍了功率变换技术的发展趋势以及功率变换技术在实际生活中的 应用等 功率变换技术的发展是很迅速的 功率变换技术已迅速发展成为一门 独立的技术 学科领域 它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门 最后 对课程做了总结并写了学习该门课程的一些心得想法 关键字关键字 整流 逆变 变频 PWM 应用 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 Abstract Abstract PowerPower conversionconversion technologytechnology Power Power ElectronicsElectronics Technology Technology isis a a comprehensivecomprehensive disciplinediscipline ofof powerpower conversionconversion principleprinciple andand powerpower converter converter inin electronics electronics a a newnew interdisciplinaryinterdisciplinary foundationfoundation forfor thethe developmentdevelopment ofof electricelectric powerpower andand controlcontrol technology technology ItIt includesincludes voltage voltage current current frequencyfrequency andand waveformwaveform transformtransform knowledge knowledge includingincluding electronics electronics automaticautomatic controlcontrol principleprinciple andand computercomputer technologytechnology etc etc thethe subject subject ThisThis coursecourse mainlymainly introducesintroduces thethe overviewoverview ofof severalseveral importantimportant pointspoints ofof thethe powerpower conversionconversion technologytechnology andand thethe curriculum curriculum andand brieflybriefly introducesintroduces thethe developmentdevelopment trendtrend ofof powerpower converterconverter technologytechnology andand powerpower conversionconversion technologytechnology appliedapplied inin realreal life life TheThe developmentdevelopment ofof powerpower conversionconversion technologytechnology isis veryvery rapid rapid powerpower conversionconversion technologytechnology hashas becomebecome anan independentindependent thethe technologytechnology fields fields ItsIts applicationsapplications involvinginvolving almostalmost allall industrialindustrial sectorssectors ofof thethe nationalnational economy economy Finally Finally thethe coursecourse isis summarizedsummarized andand wrotewrote somesome experienceexperience learninglearning ideasideas ofof thethe course course KeyKey words words rectifier rectifier inverter inverter frequencyfrequency conversion conversion PWM PWM applicationapplication 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 正文正文 一 一 功率变换技术功率变换技术 功率变换技术 Power Electronics Technology 是采用半导体电力开关 器件构成各种开关电路 按一定的规律 实时 适式地控制开关器件的通 断 状态 可以实现电子开关型电力变换和控制的技术 1 1 整流 整流 整流电路 rectifying circuit 把交流电能转换为直流电能的电路 大 多数整流电路由变压器 整流主电路和滤波器等组成 它在直流电动机的调速 发电机的励磁调节 电解 电镀等领域得到广泛应用 整流电路通常由主电路 滤波器和变压器组成 20 世纪 70 年代以后 主电路多用硅整流二极管和晶闸 管组成 滤波器接在主电路与负载之间 用于滤除脉动直流电压中的交流成分 变压器设置与否视具体情况而定 变压器的作用是实现交流输入电压与直流输 出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离 大功率的工业用电由工频 50Hz 交流发电机提供 但是大约 20 的电能是 以直流形式消费的 其中最典型的是电解 有色金属和化工原料需要直流电解 牵引 电气机车 电传动的内燃机车 地铁机车 城市无轨电车等 和直流传动 轧钢 造纸等 三大领域 大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为 直流电 因此在六十年代和七十年代 大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用 得以很大发展 当时国内曾经掀起了 股各地大办硅整流器厂的热潮 目前全国 大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物 2 2 逆变 逆变 逆变电路是与整流电路 Rectifier 相对应 将低电压变为高电压 把直 流电变成交流电的电路称为逆变电路 可用于构成各种交流电源 在工业中得 到广泛应用 生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网 中国采用 线电压方均根值为 380V 频率为 50Hz 供电制 由公共电网向交流负载供电是 最普通的供电方式 但随着生产的发展 相当多的用电设备对电源质量和参数 有特殊要求 以至难于由公共电网直接供电 为了满足这些要求 历史上曾经 有过电动机 发电机组和离子器件逆变电路 但由于它们的技术经济指标均不 如用功率变换器件 如晶闸管等 组成的逆变电路 因而已经或正在被后者所 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 取代 七十年代出现了世界范围的能源危机 交流电机变频惆速因节能效果显著 而迅速发展 变频调速的关键技术是将直流电逆变为 0 100Hz 的交流电 在七 十年代到八十年代 随着变频调速装置的普及 大功率逆变用的晶闸管 巨型 功率晶体管 GTR 和门极可关断晶闸管 GTO 成为当时功率变换器件的主角 类 似的应用还包括高压直流输出 静止式无功功率动态补偿等 这时的功率变换 技术已经能够实现整流和逆变 但工作频率较低 仅局限在中低频范围内 3 3 变频 变频 变频就是改变供电频率 英译 frequency conversion 变频技术的核心是 变频器 它通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节 把 50Hz 的固定电网频改为 30 130 Hz 的变化频率 同时 还使电源电压适应范 围达到 142 270V 解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题 通 过改变交流电频的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术 20 世纪 60 年代后半期开始 功率变换器件从 SCR 晶闸管 GTO 门极可关 断晶闸管 BJT 双极型功率晶体管 MOSFET 金属氧化物场效应管 发展到今 天的 IGBT 绝缘栅双极型晶体管 HVIGBT 耐高压绝缘栅双极型晶闸管 器件 的更新促使电力变换技术的不断发展 进入八十年代 大规模和超大规模集成 电路技术的迅猛发展 为现代功率变换技术的发展奠定了基础 将集成电路技 术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合 出现了一批全新的全控型功率 器件 首先是功率 MOSFET 的问世 导致了中小功率电源向高频化发展 而后绝 缘门极双极晶体管 IGBT 的出现 又为大中型功率电源向高频发展带来机遇 MOSFET 和 IGBT 的相继问世 是传统的功率变换向现代功率变换转化的标志 新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率 使其性能更加完 善可靠 而且使现代电子技术不断向高频化发展 为用电设备的高效节材节能 实现小型轻量化 机电一体化和智能化提供了重要的技术基础 20 世纪 70 年 代开始 脉宽调制变压变频 PWM VVVF 调速研究引起了人们的高度重视 20 世纪 80 年代 作为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣 并得出诸多优化模式 其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳 4 4 PWMPWM 技术技术 脉冲宽度调制 PWM 是英文 Pulse Width Modulation 的缩写 简称脉 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 宽调制 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的 技术 广泛应用在从测量 通信到功率控制与变换的许多领域中 脉冲宽度调 制是一种模拟控制方式 其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏 置 来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变 这种方式能使 电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定 是利用微处理器的数字输出来对 模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 PWM 控制技术以其控制简单 灵活和动态响应好的优点而成为功率变换技 术最广泛应用的控制方式 也是人们研究的热点 由于当今科学技术的发展已 经没有了学科之间的界限 结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将 会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一 冲量等效原理 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 PWM 控制技术就是以该结论为理论基础 对半导体开关器件 的导通和关断进行控制 使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形 按一定的规则对各脉冲的宽度 进行调制 既可改变逆变电路输出电压的大小 也可改变输出频率 二 功率变换技术的应用二 功率变换技术的应用 大功率直流电源 它的发展主要以提高单机容量和增加效率为主要目标 电机控制 无论是交流电机还是直流电机均采用功率变换技术来完成电机 的速度 转矩 跟随性等控制 但目前更多的是研究直流调速不能涉及的应用 领域 电源变换 它的发展主要以增加效率和提高控制性能为主要目标 如电焊 机 电磁感应加热 电动机车 电动汽车 电镀电源 电冰箱 洗衣机等控制 高压直流输电 无功功率补偿等等 1 开关型功率变换变换电源 利用半导体开关型电力变换电路 可以经济 有效地将一种频率 电压 波形的电能变换为另一种频率 电压 波形的电能 再对负载供电 使用电设 备在最佳的供电电源下工作 获得最大的技术经济效益 仅作为负载供电电源 而论 开关型功率变换变换电源在近 20 年间 已在工业 交通 军事装备 尖 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 端科技等领域中以及日常生活中获得广泛的应用 其基本的应用是 1 电力系统中的直流远距离输电 2 直流电动机变速传动控制 3 交流发电机变换传动控制 4 电解 电镀等应用领域中的低压大电流可控直流电源 5 各类高性能的不间断供电电源 UPS 6 各类恒频 恒压通用逆变电源 7 照明灯具用的高频功率变换变换器 电子镇流器 8 各类低压直流开关电源 9 蓄电池充电电源 10 中频或高频感应加热电源 11 大功率脉冲电源 激光电源 12 燃料电池 太阳能光 电转换或风力发电系统输出的恒压直流或恒频 恒压交流电源 2 开关型功率变换补偿控制器 开关型功率变换变换电路除了可用作 AC DC DC AC AC AC DC DC 功率变 换变换电源外 还可用作功率变换补偿器 补偿和控制电力系统中的谐波电流 谐波电压 节点电压 基波阻抗 无功功率 有功和无功功率潮流 平衡电力 系统有功功率以及抑制电压瞬变和功率震荡 将开关型功率变换变换器电流源 电压源适当地接入电力系统就可以构成 1 谐波电流补偿器 功率变换变换电路的输出与电力负载并联 输出谐 波电流 补偿非线性负载的谐波电流 使电网电流正弦化 2 谐波电压补偿器 功率变换变换电路的输出端串联在交流电源与负载 之间 功率变换变换输出谐波电压 其值与电网的谐波电压大小相等 方向相 反 补偿电网的谐波电压 3 无功功率补偿器 功率变换变换电路输出端与负载并联 输出基波无 功电流 电流滞后端电压 90 度 即向负载提供无功功率 改善交流电网功率 因数 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 4 电网节点电压控制器 5 电能存取控制器 6 瞬变电压抑制器 7 阻抗补偿控制器 3 高频逆变式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能 高效 省材的新型焊机电源 代 表了当今焊机电源的发展方向 由于 IGBT 大容量模块的商用化 这种电源更有 着广阔的应用前景 逆变焊机电源大都采用交流 直流 交流 直流 AC DC AC DC 变换的方法 50Hz 交流电经全桥整流变成直流 IGBT 组成的 PWM 高频变换部分将直流电逆变 成 20kHz 的高频矩形波 经高频变压器耦合 整流滤波后成为稳定的直流 供 电弧使用 由于焊机电源的工作条件恶劣 频繁的处于短路 燃弧 开路交替变化之 中 因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题 也是 用户最关心的问题 采用微处理器做为脉冲宽度调制 PWM 的相关控制器 通过 对多参数 多信息的提取与分析 达到预知系统各种工作状态的目的 进而提 前对系统做出调整和处理 解决了目前大功率 IGBT 逆变电源可靠性 4 电力有源滤波器 传统的交流 直流 AC DC 变换器在投运时 将向电网注入大量的谐波电流 引起谐波损耗和干扰 同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象 即所谓 电力 公害 例如 不可控整流加电容滤波时 网侧三次谐波含量可达 70 80 网 侧功率因数仅有 0 5 0 6 电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型功率变换装置 能克服传 统 LC 滤波器的不足 是一种很有发展前途的谐波抑制手段 滤波器由桥式开关 功率变换器和具体控制电路构成 与传统开关电源的区别是 1 不仅反馈输出电压 还反馈输入平均电流 2 电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积 5 分布式开关电源供电系统 分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 利用最新理论和技术成果 组成积木式 智能化的大功率供电电源 从而使强 电与弱电紧密结合 降低大功率元器件 大功率装置 集中式 的研制压力 提 高生产效率 八十年代初期 对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联 技术的研究上 八十年代中后期 随着高频功率变换技术的迅述发展 各种变 换器拓扑结构相继出现 结合大规模集成电路和功率元器件技术 使中小功率 装置的集成成为可能 从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开 自八十年代后期开始 这一方向已成为国际功率变换学界的研究热点 论文数 量逐年增加 应用领域不断扩大 分布供电方式具有节能 可靠 高效 经济和维护方便等优点 已被大型 计算机 通信设备 航空航天 工业控制等系统逐渐采纳 也是超高速型集成 电路的低电压电源 3 3V 的最为理想的供电方式 在大功率场合 如电镀 电 解电源 电力机车牵引电源 中频感应加热电源 电动机驱动电源等领域也有 广阔的应用前景 三 总结三 总结 本课程主要学习和掌握以下内容 第二章要点 学习各种主要功率变换器件的基本结构 工作原理 基本特 性和主要参数等 理解功率变换器件的驱动和保护电路的作用 第三章要点 重点学习各种基本斩波电路的工作原理 输入输出关系 电 路解析方法 工作特点 第四章要点 学习换流的概念以及换流方式的分类 重点学习单相和三相电压型逆变电路的主要特点 原理分析和计算 理解 单相和三相电流型逆变电路的主要特点 原理分析 重点学习 PWM 控制的基本原理 单相桥式 PWM 逆变电路中单极性和双极性 控制方法分析 重点掌握异步调制和同步调制的概念 规则采样法的概念 理 解单相 PWM 整流电路的工作原理和控制方法分析 第五章要点 学习掌握功率变换电路按分段线性电路进行分析的基本思想 单相整流电路和三相整流电路的原理分析与计算 各种负载对整流电路工作情 况的影响 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 可控整流电路的有源逆变工作状态 重点掌握产生有源逆变的条件 三相 可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算 逆变失败及最小逆变角的限制等 第六章要点 学习交流 交流变流电路的分类及其基本概念 单相 三相 交流调压电路的电路构成 工作原理分析 以及单相电路在电阻负载和阻感负 载时计算方法 交流调功电路和交流功率变换开关的基本概念 理解晶闸管相 位控制交交变频电路的电路构成 工作原理和输入输出特性 第七章要点 掌握软开关的基本概念 硬开关 软开关 零电压开关和零 电流开关 重点掌握零电压开关准谐振电路 谐振直流环 移相全桥型零电压开关 PWM 电路和零电压转换 PWM 电路的工作原理 功率变换技术这门课程是必修课 在现代科技飞速发展的今天 功率变换 技术作为弱电与强电的桥梁 正在与微电子技术和自动控制技术相辅相成快速 发展 还与多个学科相互渗透 功率变换技术已经成为当今世界经济的重要支 柱 随着功率变换技术应用范围的不断扩大 对从事此项技术人员的需求量也