电力电子课程综述

HefeiUniversity功率变换课程综述课程题目：功率变换姓名：戴森学号：1205033024专业：自动化（2）班授课老师：李秀娟1摘要电力电子技术是电力、电子与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科，被国际电工委员会命名为电力电子学或成为电力电子技术。近20年来，电力电子技术已渗透到国民经济各领域，并取得了迅速发展。作为电气工程及其自动化、工业自动化或相关本科专业的一门重要的专业基础课，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础理论、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。关键字：电力电子技术发展专业基础2一、电力电子技术简介电力电子技术是20世纪后半夜诞生和发展的一门崭新的技术。它集电气技术、电子技术、控制技术于一体。其迅猛发展历程已预示了将成为21世纪起主导作用的科学技术之一。《电力电子技术》是电气工程及其自动化、自动化等专业重要的专业课程。该课程的前身是《半导体变流技术》并作为工业自动化的专业课，于1978年在全国高校正式开课，并一直讲授到1944年。由于专业技术的迅速发展，1994年后该课程正式改名为《电力电子变流技术》并于当年在全国高校统一教材授课。到2000年又改名为《电力电子技术》，并在全国统一教材授课至今。其全国统一教材被列为普通高等教育“九五”国家级重点教材。考虑到“电力电子技术”作为一个学科已深入人心，其课程已有一门专业课程演变为专业基础课程，从而使该课程更具有基础性和普遍性。近20年来，电力电子技术已经渗透到国民经济各个领域，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专业基础课，电力电子技术讲述了电力电子器件、电力电子电路以及变流技术的基本理论、基本概念和基本分析方法。这门课程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。二、电力电子课程简介第一章绪论主要介绍了电力电子技术的定义、发展，还有电力电子技术在电源、电力系统、可再生能源发电系统、微电网、环保系统、节能中应用。第二章电力电子器件这一章主要讲了电力电子器件是电力电子技术应用发展的基础，电力电子设备的工作状况是通过控制电力电子器件的开关状态来实现的。根据器件导通和关断的可控制性，可将电力电子器件分为可控器件、半可控型器件和全可控性器件。不可控器件没有控制极，其导通与关断完全由外部电路决定；半控型器件和全控型器件有控制极，对于半控型器件而言，通过对控制极施加导通控制信号能使器件导通，但器件导通后即不再受控制极控制，其关断由外部主回路决定；而全控型器件的导通和关断则都能通过对控制极施加开通和关断信号来实现。重点是掌握晶闸管（SCR）的工作原理、导通与关断条件、额定参数的选择等，电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力电子器件的工作原理、特性、电气参数以及它们的驱动与保护电路。第三章DC—DC变换器3DC-DC变换器是指能将一定幅值的直流电变换成另一幅值直流电的电力电子装置，主要应用于直流电压变换（升压、降压、升降压等）、开关稳压电源、直流电机驱动等场合。DC-DC变换器分为以下四种类型：降压型DC-DC变换器，简称Buck变换器；升压型DC-DC变换器，简称Boost变换器；升-降压型DC-DC变换器，简称Boost-Buck变换器；降-升压型DC-DC变换器，简称Buck-Boost变换器。重点学习的主要内容有DC-DC变换器基本电路构成的基本思路与换流分析；开关变换器中电感、电容元件的基本特征——伏秒平衡特性、安秒平衡特性，这事定量分析开关变换器的基础；电流连续条件下的DC-DC变换器基本特性分析，这是DC-DC变换器性能分析和参数设计的基础，主要包括：稳态增益、电感电流及电容电压脉动量、功率器件中的电压和电流关系等；多象限和多相多重DC-DC变换器的结构特点和换流分析。第四章DC—AC变换器（无源逆变电路）DC-AC变换器是指能将一定幅值的直流电变换成一定幅值和一定频率交流电的电力电子装置，又称为逆变器。如果DC-AC变换器的交流输出连接无源负载，则成这种DC-AC变换器为无源逆变器；如果DC-AC变换器的交流输出连接电网，则称这种DC-AC变换器为有源逆变器。逆变器是一种将直流电能变换为交流电能并向无源负载供电的重要电力电子电路。主要内容有逆变器的电路结构、分类及主要性能指标；逆变器的三种基本变换方式；方波逆变器的基本电路及其特点；这正弦波逆变器及其SPWM控制。第五章AC—DC变换器（整流和有源逆变电路）AC-DC变换器是指将交流电能变换为直流电能的电力电子装置，而AC-DC变换器的交流侧一般连入电网或其他交流电源。本章主要介绍了单相可控整流电路、三相可控整流电路、有源逆变电路的工作原理、工作波形分析及电路参数计算，整流变压器的漏抗对整流电路的影响，PWM整流的工作原理，电压型、电流型桥式PWM整流电路的工作原理。主要内容是掌握可控整流电路的工作原理、波形分析、参数计算方法，整流变压器的漏抗对整流电路的影响，有源逆变电路的工作原理、工作波形分析及电路参数计算，逆变失败的原因和最小逆变角的限制问题；了解PWM整流的工作原理。第六章AC—AC变换器AC-AC变换器是指将一种形式的交流电变换成另一种形式的交流点的电力电子装置。AC-AC变换电路可以分为交流调压电路、交流电力控制电路和交-交变频电路。交流调压蒂娜路一般采用相位控制，其特点是维持频率不变，仅仅改变输出电压的幅值，它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机的软启动和调速等场合；交流电力控制电路主要用于投切交流电力电容电器以控制电网的无功功率，也可以用于电炉的温度控制；交-交变频电路也称直接变频电路，是一种没有中间直接环节就能把某一频率、电压的交流电直接变换成另一频率、电压交流电的变换电路。重点要掌握交交变流电路的分类及基本概念，交流调压电路的基本构成与工作原理，交4流调功电路和交流电子开关的基本概念，晶闸管相控交交变频电路的构成、工作原理和输入输出特性，矩阵式变频电路的基本概念。还有单相交流调压电路的工作原理、波形分析和必要的参数计算，晶闸管相控交交变频电路的构成、工作原理和输入输出特性；了解三相交流调压电路的工作原理、波形分析，交流调功电路和交流电子开关的基本概念，矩阵式变频电路的基本概念。第七章软开关变换器软开关是指在开关电路中增加相应的电感、电容等谐振元件，通过在开关过程引入谐振，使开关开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，从而减小甚至消除开关损耗。软开关一般分为零电压开关与零电流开关，而根据软开关技术发展的历程，软开关变换器分为准谐振变换器、PWM软开关变换器。本章重点要掌握软开关的基本概念和各种软开关的分类，详细分析零电压开关准谐振电路、谐振直流环、移相全桥零电压开关PWM电路和零电压转换电路的工作原理。三、电力电子技术应用与发展1、电力电子技术的主要应用电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC)。自20世纪80年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。(1)发电环节中大型发电机的静止励磁控制：采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。水力、风力发电机的变速恒频励磁：此项应用的技术核心是变频电源。发电厂风机水泵的变频调速：使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。(2)在输电环节中直流输电(HVDC)和轻型直流输电(HVDCLight)技术：直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。柔性交流输电(FACTS)技术:FACTS技术的概念问世干20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。(3)在配电环节中5配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力(customPower)技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。(4)在节能环节变负荷电动机调速运行:电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30％左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。减少无功损耗，提高功率因数:在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。2、电力电子技术的发展现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。整流器时代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。6逆变器时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(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直