电力电子技术应用

1、电力电子技术应用绪 论电力电子技术的内容电力电子技术的发展电力电子技术的应用电力电子技术课程的学习要求1. 电力电子技术的内容o电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。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。电力电力电子技术电子技术电子学电子学电力学电力学控制控制理论理论连续、离散 电路、器件静止器、旋转电机（1） 电力电子器件 根据其控制特性分：o不可控型器件：如功率二极管。o半控型器件：晶闸管及其大部分晶闸管派生器件属于这一类器件。o全控型器件：也称为自关断器件。可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率

2、场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管等。 按照内部载流子的工作性质分： o单极型器件：导通时只有空穴或电子一种载流子导电的器件。功率场效应晶体管，器件的特点主要是工作频率高、导通压降较大，单个器件容量较小。o双极型器件：导通时的载流子既有空穴也有电子导电的器件。功率二极管、晶闸管及派生器件、可关断晶闸管、双极型功率晶体管等。器件的特点主要是功率较高、而工作频率较低。o复合型器件：复合型既含有单极型器件的结构，又有双极型器件的结构，通常其控制部分采用单极性结构，主功率部分采用双极型结构。绝缘栅双极型晶体管、MOS控制晶闸管等。结合了两者的优点，具有卓越的电气性能，是电力电子器件的发展方向。 按照器件

3、驱动的参量分：o电流型控制器件：由控制极电流驱动器件的通断，该类器件对驱动波形要求高，驱动电路比较复杂。属于电流型控制器件的有晶闸管、可关断晶闸管、双极型功率晶体管。o电压型控制器件：由控制极电压驱动器件的通断，该类器件对驱动波形要求低，驱动电路比较简单。属于电压型控制器件的有功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。（2）变换器o电能有直流(DC)和交流(AC)两大类。前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。o实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数(如电压，电流，频率和功率因数等)进行变换。变换器共有四种类型：o交流-直流(AC-DC)

4、变换o直流-交流(DC-AC)变换：有源逆变；无源逆变。o交-交(AC-AC)变换：交流调压；交-交变频。 o直流-直流(DC-DC)变换（3） 变换器的辅助电路变换器必须在一些辅助电路的支持下才能正常工作，这些辅助电路包括： 控制电路：控制电路的功能是根据输入和输出的要求产生主电路电力电子器件的通断信号。 驱动电路：驱动电路的功能是根据控制电路给出的通断信号，提供电力电子器件开通或关断要求的电流波形和电压波形，提供足够的驱动功率，以确保电力电子器件的迅速可靠开通和关断。 缓冲电路：缓冲电路的功能是在电力电子器件开通和关断的过程中减缓其电流或电压的上升率，以降低电力电子器件的开关损耗和开关应力

5、。 保护电路：保护电路的功能是在电源或负载出现异常时，保护电力电子器件和设备免于损坏。2. 电力电子技术的发展o电力电子器件发展： 电能转换由依靠旋转机组改为利用电力电子器件组成的静止的电能变换器，具有体积小、重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应快及使用方便等优点。 功率二极管 SCR ：晶闸管（可控硅） GTO：门极可关断晶闸管 BJT/ GTR：双极型功率晶体管 P-MOSFET：功率场效应晶体管 IGBT：绝缘栅双极型晶体管等。 电力电子器件的电压、电流、开关频率是影响它们使用的关键参数电压容量从低到高的顺序依次为功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、双极型功率晶体管、可关断

6、晶闸管、晶闸管，其中绝缘栅双极型晶体管、双极型功率晶体管电压容量接近，可关断晶闸管、晶闸管电压容量接近。电流容量从低到高的顺序依次为功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、双极型功率晶体管、可关断晶闸管、晶闸管，其中绝缘栅双极型晶体管、双极型功率晶体管电流容量接近。开关频率从低到高的顺序依次为晶闸管、可关断晶闸管、双极型功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管、功率场效应晶体管，其中绝缘栅双极型晶体管、双极型功率晶体管的开关频率接近。o控制电路及微型计算机的发展：分立元件集成电路专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化。微型计算机引入，运算精度提高位数成倍增加，运算速度增快，功能不断

7、完善，使控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。o控制理论的发展：各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。将新的控制理论和方法应用在变换器中。 综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论是现代电力电子技术的发展动力。3. 电力电子技术的典型应用（1）在电机调速系统中的应用可控整流器或斩波器与直流电动机组成的调速系统有着优良的动态性能，由于电力电子器件和变频技术的发展，特别是直接转矩和矢量控制系统的应用，使得交流电动机变频调速系统的性能得到很大的提高。各种交、直流电动机在以下工业领域中有着广泛的应用，无轨

8、电车、城市地铁、电动汽车以及机车牵引等交通运输系统；可逆热轧机、热连轧机、可逆冷轧机、带钢冷连轧机、飞剪机等电动机调速系统；各类起重机械、矿井提升机、堆料机、输送机、机床及各种自动化生产线；调速电梯、供水系统、造纸、印染、纺织等工业系统。风机、泵类负载采用变频调速后，节能效果也很显著。采用软启动控制可以减少交流电机启动时的电流冲击而被广泛应用。（2）在电力系统中的应用 据估计，在发达国家，用户使用的电能中有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子装置的处理。o在电力系统的发电机的直流励磁与交流励磁系统是由电力电子装置控制的，可以达到节能和提高电力系统稳定性的目的。o静止无功补偿器、有源电力滤波

9、器、动态电压恢复器等电力电子装置有效地减少了传统变流装置形成的电网公害，提高了电网功率因数，抑制了电网谐波，防止了电网电压瞬时跌落、闪变，有效地改善了电力系统中电能的质量。o采用换流器实现电能的交流-直流、直流-交流的变换和传输技术在高压直流输电系统中得到广泛的应用；基于电力电子技术与现代控制技术的柔性交流输电技术可以大幅提高电力系统的稳定性。o太阳能发电、风能发电作为可再生能源发展较快，越来越受到重视。太阳能、风能发电受环境条件的制约，发出的电能质量较差。利用电力电子技术进行能量储存和缓冲，可以有效地改善电能质量。同时，采用变速恒频发电技术，可以将以上的新能源与电力系统联网向用户输送电能。o工业感应加热电源主要应用于钢水精炼及电磁搅拌改进结晶状态和金属表面的淬火热处理等场合。o在各个国家，照明用电占发电量的数量也是比较大的。白炽灯发光效率低、热损耗大，而日光灯必须有镇流器启辉，全部电流都要流过镇流器的线圈，因而无功电流较大，不节能。在相同功率的情况下，采用AC-DC-AC变换技术的电子镇流器比普通镇流器的体积小，可减少无功和有功损耗。另外，采用交流调压实现照明的电子调光，也可节约能源。4. 电力电子技术课程的学习要求o熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特