电力电子应用技术教案

电力电子应用技术教案 1 绪论主要内容：电力电子技术的基本概念、学科地位、基本内容和发展历史、电力电子技术的应用范围和发展前景、本课程的任务与要求。1什么是电力电子技术电子技术——信息电子技术、电力电子技术；信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术；电力电子技术——应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百 MW甚至 GW，也可小到数 W甚至 1W以下；信息电子技术主要用于信息处理，电力电子技术主要用于电力变换。电力——交流和直流两种从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池和干电池得到的电力是直流。电力变换通常可分为四大类，即交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。进行电力变换的技术称为变流技术。表 0­1 电力变换的种类输入交流直流交流直流输出直流直流交流交流种类直流整流直流斩波交流交流电力控制变频、变相逆变电力电子技术的两个分支：电力电子器件制造技术、变流技术（电力电子器件的应用技术）变流技术：包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。“变流”不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理；变流技术是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理论；“电力电子技术”和“电力电子学”两个名词的关系；电力电子学 (Power Electronics) 这一名称60年代出现；绪论 2 1974 年，美国的 W. Newell 用图 0­1 的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。图 0­1 描述电力电子学的倒三角形“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术两个不同的角度来称呼的，其实际内容并没有很大的不同。电力电子技术和电子学的关系：电子学——电子器件和电子电路两大分支，分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。电力电子器件的制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，其大多数工艺也是相同的。特别是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，这说明二者同根同源。电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是二者应用目的不同，前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。广义而言，电子电路中的功率放大和功率输出部分也可算做电力电子电路。此外，电力电子电路广泛用于包括电视机、计算机在内的各种电子装置中，其电源部分都是电力电子电路。在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，这是电力电子技术的一个重要特征。1.1电力电子技术与电气工程的关系电力电子技术广泛用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系“电力学”这个术语在我国已不太应用，可用“电工科学”或“电气工程”取代之。各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中，因此，通常把电力电子技术归属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中的一个最为活跃电力电子应用技术教案 3 的分支。电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是保持电气工程活力的重要源泉。1.2电力电子技术与控制理论的关系控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。1.321世纪电力电子技术的前景电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术；可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展；以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一；电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。把计算机的作用比做人的大脑。那么，可以把电力电子技术比做人的消化系统和循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网或其他电源提供的“粗电”变成适合于使用的“精电”），再由以心脏为中心的循环系统把转换后的能量传送到大脑和全身。电力电子技术连同运动控制一起，还可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。2电力电子技术的发展史电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。2.1电力电子技术的诞生以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志；电力电子技术的史前期或黎明期；晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在；1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河；后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。绪论 4 这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机—直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始而沿用至今。1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管2.2晶闸管1957年开始,晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。2.3全控型器件70年代后期开始，门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的特性使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。和晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆变、斩波、整流、变频及交流电力控制中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。复合型器件和功率集成电路：80年代后期开始。复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表，IGBT是MOSFET和BJT的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS电力电子应用技术教案 5 控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向。2.4软开关技术随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生。零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）就是软开关的最基本形式。理论上讲采用软开关技术可使开关损耗降为零，可以提高效率。也使得开关频率可以进一步提高，从而提高了电力电子装置的功率密度。3电力电子技术的应用3.1一般工业工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都广泛采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。还有些不调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频、中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。3.2交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子绪论 6 技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术。如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流。3.3电力系统电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。3.4电子装置用电源各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。3.5家用电器电力电子应用技术教案 7 照明在家用电器中占有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。变频空调器