电力电子技术及应用论文

电力电子技术及应用

引言：

自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代

电气传动技术舞台。从工程应用的角度看,无论是电力、机械、矿冶、交通、石油化工、轻纺等传统产业,还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高科技产业,都迫切需要提供高质量的电能,特别是要求节能。而电力电子则是实现将各种能源高效率地变换成高质量电能、节能、环保和提高人民生活质量的重要手段,它已经成为弱电控制与强电运行之间,信息技术与先进制造技术之间,传统产业实现自动化、智能化、节能化、机电一体化的桥梁。电力电子的突出特点是高效、节能、省材,所以电力电子已成为我国国民经济的重要基础技术,是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。因此,无论上述诸多高技术应用领域,还是各种传统产业,乃至照明、家电等量大面广的,与人民日常生活密切相关的应用领域,电力电子产品已无所不在。

电力电子技术概述

电力电子技术是一门新兴的应用与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，也可小至数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。电力电子技术现已成为现代电气工程与自动化专业的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉二形成的。其概

念的基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。电力电子技术的应用范围及其广泛，比如优化电能使用，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；改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业，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；电力电子技术高频化和变频技术的发展，将是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；电力电子智能化的发展，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，其发展可能引起电子技术的重大改革。

电力电子技术的内容可分为：

1、电力电子器件；

2、相控型整流器和有源逆变电路；

3、直流电压变换电路；

4、交流 电压变换电路；

5、电力电子应用技术。

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。

1、 根据开关器件是否可控分类

（1） 不可控器件：二极管VD。

（2） 半控器件：普通晶闸管SCR。

（3） 全控器件：GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。

2. 根据门极(栅极)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。

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。

（4） 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

可控整流器与有源逆变器：

主要内容：

整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各参数的

数学关系和设计方法;整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。变压器漏抗对整流器的影响、整流器带电动机负载时的机械特性、触发电路等内容。

学习重点包括：

(1) 学习不同型式整流电路的工作原理，波形分析与数值计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。

(2) 变压器漏抗对整流电路的影响，重点建立换相压降、换相重叠角等概念，并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响。

(3) 掌握产生有源逆变的条件、逆变失败及最小逆变角的限制等。

(4) 熟悉锯齿波移相触发电路的原理，建立同步的概念，掌握同步电压信号的选取方法。

交-交变换器：

主要内容：

晶闸管单相和三相交流调压器；全控型器件的交流斩波电路；交-交变频器；交-交(AC-AC)变换器的应用。

交流调压电路通常由晶闸管组成，用于调节输出电压的有效值。与常规的

调压变压器相比，晶闸管交流调压器有体积小、重量轻的特点。其输出是交流电压，但它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。

控制方法：

(1) 通断控制。即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。

(2) 相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。

基本结构和工作原理

单相交-交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成，和直流可逆调速系统用的四象限变换器完全一样，两者的工作原理也相似。

直流-直流变换器：

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(Buck Converter)

2. 升压直流-直流变换器(Boost Converter)

3. 降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck- Boost Converter)

4. 丘克直流-直流变换器

交-直-交变换器 ：

主要内容：

电压型和电流型变换器原理；SPWM型变换器。

简介

交-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。

交-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。 电力电子技术应用

变换器的保护电路，保护电路包括过压保护、过流保护和电压上升率、电流上升率的限制。

过压保护

1. 引起过压的原因

操作过电压：由拉闸、合闸、快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。浪涌过压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过压。电力电子器件关断过电压：电力电子器件关断时产生的过压。在电力电子变换器-电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流侧直流电压过高产生的过压。也称为泵升电压。

2. 过压保护方法

过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附

加电路，当达到—定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。保护电路形式很多，也很复杂。

(1) 雷击过压可在变压器初级接避雷器加以保护。

(2) 二次电压很高或电压比很大的变压器，一次侧合闸时，由于一次、二

次绕组间存在分布电容，高电压可通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过压。可采取变压器附加屏蔽层接地或变压器星形中点通过电容接地的方法来减小。

(3) 泵升电压保护当电动机回馈制动时，电动机的动能转换成电能回馈到

直流侧，引起直流侧电压升高，当电压升高到一定值时，会造成变换器的过电压。通常采用开关电路将能量消耗在电阻上。

（4）阻容保护电路

将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。

与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。

RC阻容保护电路可以设置在变换器装置的交流侧、直流侧。

总结：

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。

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。

电有直流(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。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：

交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。

直流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。这是与整流相反的变换，也称为逆变。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。

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。

直流-直流(DC-DC)变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。 参考文献：

《电力电子技术》第五版，作者：王兆安，刘进军；机械工业出版社出版

《电力电子技术应用教程》，作者：蒋渭忠；电子工业出版社