电力电子技术课程综述文档格式.docx

1、 72.2 DC-DC变换器2.2.1 主要内容：2.2.2 直流 -直流变换器的控制2.3 DC-AC变换器（无源逆变电路）2.3.1 电压型变换器 2.3.2 电流型变换器2.3.3 脉宽调制 （PWM） 变换器2.4 AC-DC变换器（整流和有源逆变电路）2.4.1 简介 2.4.2 工作原理2.5 AC-AC变换器2.5.1 简介 2.5.2 分类2.6 软开关变换器2.6.1 分类 2.6.2 重点参考文献101112 电力电子技术是在电子、电力与控制技术上发展起来的一门新兴交叉学科，被国际电工委员会（IEC）命名为电力电子学（Power Electronics ） 或称为电力电子技

2、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 一门重要基础课，电力电子技术课程讲述了电力电子器件、电力电子电路及 变流技术的基本理论、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。Abstract:Power electronic technology is in Electronics, electric Power and controldeveloped on an emerging interdisciplinary, is the internationaltech

3、nology electrotechnical commission （IEC） named Power Electronics （Power Electronics） or called Power electronic technology. Nearly 20 years, power electronic technology has penetrated into every field of national economy, and have achieved rapid development. As electrical engineering and automation,

4、 industrial automation or related professional one important courses, power electronic technology course about power electronics device, power electronic circuits, the basic theory of converter technology, the basic concept and basic analysis for subsequent specialized course of study and power elec

5、tronic technology research and application lay a good foundation.Keywords: Power electronic technology control technology automation power electronics device电力电子技术是一门新兴的应用于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也可以小到数 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

6、。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。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。电力电子学（Power Electronics ）这一名称是 在上世纪60年代出现的。1974年，美国的 W.Newell 用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、捽制/yrW电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。 这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技 术”是分别从学术和工程技术 2个不同的角度来称呼的。一般认为，电力电子技术的诞生是以 1957年美国通用电气公司研制

7、出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶 闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所 以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。 70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO，电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过 对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子 技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。 80年代后期，以绝缘栅极双极型PIC）。晶体管（IGBT可看作MOSFE和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功 率小，开关速度快，通态

8、压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现 代电力电子技术的主导器件。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器件做成模块的形式，后来又把驱 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（ 目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电子装置电源： 家用电器： 其他： UPS为信息电子装置提供动力节能灯”、变频空调、 航天飞行器、 新能源、 发电装置（1） 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

9、，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风 机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化 工、电解等 14个方面的调查， 潜在节电总量相当于 1990年全国发电量的 16%， 所以推广应用电力 电子 技 术是节 能的一项战略 措施，一般 节能效果可达 10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。（2） 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今 后将有 95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机 电设备中，有 95%与电力电子产业有关，特别是，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

10、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。（3） 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使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。（4） 电力电子智能化的进展，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，其发展有可能引起电子技术的重 大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为 对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边 缘。1.4电力电子技术的

11、发展从 20 世纪 50 年代中到 70 年代末，以大功率硅二极管、 双极型功率晶体 管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。 70年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微 机的发展对电力电子装置的控制系统、 故障检测、 信息处理等起了重大作用 , 今后还将继续发展 ; 其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中， 开发出更多的新一代电力电子器件。 其中除普通晶闸管向更大容量 （6500 伏、 3500安）发展外，门极可关断晶闸管（GTO）电压已达4500伏，电流已达2500 3000 安；双极型晶体管也向着更大容量发展， 80 年代中后

12、期其工业产品最 高电压达 1400 伏，最大电流达 400 安, 工作频率比晶闸管高得多 , 采用达林顿结构时电流增益可达 75200。随着光纤技术的发展，美国和日本于19811982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。 这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可 使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。 同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管 （power MOSFET） 和功率静电感应晶体管 （SIT） 已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等 级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由场控和双极型合成的新一代电

13、力电 子器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGT或IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT 也正在兴起 , 容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频 率可以大大提高， 使电力电子电路更加简单， 使电力电子装置的体积、 重量、 效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的 阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模 拟和仿真技术也在不断发展。本课程简介本书在介绍电力电子技术基本理论和基本概念的同时， 重视对研究对象问题 提出、方案对比、 分析思路等研究能力的训练和培养， 并尝试研究型思维的启发 与训练。在内容安排上，本书针对本科生的教学特点，力图

14、避免新技术、新理论 的简单罗列。本书共分为7章，包括：绪论、电力电子器件及应用、DC-DC变换器、DC-AC 变换器（无源逆变电路）、AC-DC变换器（整流和有源逆变电路）、AC-AC变换器、 软开关转换器。每章后都附有本章小结和思考题，便于教师教学和学生自学。2.1 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。这些器件的驱动电路和缓冲电路。2.1.1 根据开关器件是否可控分类（1）不可控器件 二极管VD是不可控器件。（2）半控器件 普通晶闸管SCF是半控器件。（3）全控器件 GTO、BJT、功率 MOSFETIGBT等。（1） 电流控制器件

15、 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 MOSEE、T I G BT。2.1.3 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为2.2 DC-DC 变换器降压变换器、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

16、- 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。降压直流 - 直流变换器 （Buck Converter）升压直流 - 直流变换器 （Boost Converter） 降压 - 升压复合型直流 - 直流变换器 （Buck- Boost Converter）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）（2）（3）全桥式直流 - 直流变换器 （Full Bridge Conv

17、erter）基本的直流 - 直流变换器和它的输出波形开关管导通时，输出电压等于输入电压 Ud;开关管断开时，输出电压等于0。输 出电压波形如上图所示，输出电压的平均值 Uo为式中 Ts 开关周期D 开关占空比，1.改变负载端输出电压有 3 种调制方法：（1）开关周期 Ts 保持不变，改变开关管导通时间 ton 。也称为脉宽调制 （PWM。）（ 2）开关管导通时间 ton 保持不变，改变开关周期 Ts。（ 3）改变开关管导通时间 ton ，同时也改变开关周期 Ts。1 有较好的滤波效果。方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后 2种方式改变了开关频率,而输出级滤波器是根据开关频率设计的，

18、显然，方式给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号 coo，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号， 控制开关管的导通和关断， 得到期望的输出电压。 锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。 一般选择开关频率在几千赫兹到几百千 赫之间。2.直流-直流变换器有两种不同的工作模式：（1） 电感电流连续模式（2） 电感电流断续模式在不同的情况下， 变换器可能工作在不同的模式。 因此， 社稷变换器和它的 控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。降压变换器降压变换器也称为 Buck 变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电 压Uo低于输入电压Udo2.3 DC-AC 变换器（无源逆变

19、电路）电压型和电流型变换器原理；SPW型变换器。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。直-交变换器可分为电压型和电流型。SPW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。2.3.1 电压型变换器1.电路结构电压型变换器的特点是直流电源接有很大的滤波电容， 从逆变器向直流电源 看过去电源内阻为很小的电压源，保证直流电压稳定。2.输出电压波形开关元件每隔 60电角度按标号 1、 2、 3、 4、 5、

20、 6的次序导通，每个元件 导通 180就关断，即同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断，经过 360完成输出电压波形的一个周期。 这种变换器向对称的星形连接的负载供电， 输出 线对中点的电压即相电压波形，在每个周期中有六个不同状态，故称六阶梯波。状态 1，060期间，开关元件 5、6、1 导通，相当于 5、6、1 开关闭合。输 出端U、W接到电源正极，V端接电源负极，线电压 UUV=U0UVW= -Ud UWU=0UUN=UWN=+Ud/UVN二Ud/3。依次类推其他5个状态内UUN UVN和UW波形与 UUN一样，只是时间上滞后120和240。综上所述，直-交变频原理为频率不变的交流电源经整

21、流器变为直流电，再 经逆变器，在其开关元件有规律的导通和关断，即每隔60。导通一个，导通180。 后关断，一个周期中变换器输出的线电压为方形波，相电压为六阶梯波的交流电。 改变元件导通与关断的频率快和慢， 就能改变输出交流电频率高和低，改变直流 环节电压高和低，就能调节交流输出电压幅值大与小。2.3.2电流型变换器电流型变换器的电路原理图如图 5-7所示，电流型变换器的特点是直流电源 接有很大的电感，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很大的电流源， 保证直流电流基本无脉动。2.工作原理电流型变换器的基本工作方式是1200导通方式，即每个开关管导通1200, 按VT1到VT6的顺序每隔60o依次

22、导通。其变换器输出电流波形如图 5-8所示。在电流型变换器中，为吸收换相时负载电感中的能量，如图5-7所示，在交流输 出侧加入了电容器。在换相时，由于负载电感中的能量给电容充电， 从而变换器 的输出电压出现电压尖峰。2.3.3脉宽调制（PWM）变换器SPW变换器，简单地说，是控制在变换器输出端获得等幅、宽度可SPW变换器，从载波信号的极功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管（BJT、MOSFETGBT） 是自关断器件。用它们作开关元件构成的 SPW变换器，可使装置的体积小、斩 波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。 逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律， 调的矩形波。这样的波形可

23、以有多种方法获得。性分有单极性和双极性脉宽调制方法。从载波信号与调制信号的关系分有同步、 异步和分段同步调制的控制方式方法。现在多采用微机产生 SPW的方法和专门产生SPW波形的大规模集成电路芯片。2.4.1简介在逆变电路中，把直流电能经过直交变换，向交流电源反馈能量的变换电路 称之为有源逆变电路，相应的装置称为有源逆变器。有源逆变与无源逆变的区别：逆变电源就是把直流电逆变成交流电。 有有源 逆变也有无源逆变。比如说直流电压，经过一个简单的单相 H型晶闸管桥，H的横就是那个输出，H的竖线上各有四个晶闸管，编号上 12,下34,则分别开通 14和23就得到正负相隔的输出电压和电流了，逆变电源的应

24、用是很广的， 无源逆变电路 出端交流电能直接输向用电设备的逆变电路。生产实践中常要求把 工频交流电能或直流电能变换成频率和电压都可调节的交流电能供给负载， 这就需要采用无源逆变电路。在电力电子电路中，除指明为有源逆变电路者外，均为 无源逆变电路。2.4.2工作原理逆变电路采用三相桥式结构。由于采用负载换流方式，故桥中开关元件可采 用普通晶闸管。其出端 A B C经限流电感La、Lb和Lc与公共电网联结。此 处三相电网作为逆变电路负载接受其馈入电能，桥中各晶闸管 T1T6均工作于开关状态，采用相控方式（见电力电子电路）。各晶闸管的导通时刻由加到各门 极脉冲的相位决定。逆变桥可视为按一定时序依次轮

25、番通断的 6只开关。但在任何稳定导通状态中，桥中只有两支元件处于导通状态（其余为阻断状态）。例如 在某一时刻有T1和T2导通，则有id=iA=-iC，即直流电流id此时作为电网相 电流iA和ic流向公共电网；而在另一时刻有 T4和T5导通，则id=ic=-iA ，由 前述id为平滑连续直流电流。由于桥中各开关的轮番通断，iA和ic均为交变 方波。同理可知iB也为交变方波。由此可见,若门极脉冲的基本重复频率保持与 公共电网同步，则各相电流的重复频率也必然与电网同步， 这样电网就得到由直流端提供的、由逆变电路转换的交流功率。2.5AC-AC变换器2.5.1简介交-交（AC-AC）变换，将交流电能的

26、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。2.5.2分类1.交流电力控制电路一一只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率。（1）交流调压电路相位控制（或斩控式）（2）交流调功电路及交流无触点开关一一通断控制2.变频电路一一改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的（1）交交变频电路一一直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交 流，直接变频电路（2）交直交变频电路一一先把交流整流成直流， 再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流 , 间接变频电路。2.6.1 分类1. 根据开关元件开通和关断时电压电流

27、状态，分为零电压电路和零电流电路两 大类。2. 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关 PWM 电路和零转换PWM电路。3.每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从基本开关 单元导出具体电路。1. 软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开 关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。2软开关技术可以分为零电压和零电流两类。 按照其出现的先后， 可以将其分 为准谐振、零开关PWM和零转换PWME大类。每一类都包含基本拓扑和众多的派 生拓扑。3.零电压开关准谐振电路、零电压开关PW电路和零电压转换PW电路分别是 三类软开关电路的代表；谐振

28、直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应 用。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。 本学期， 我们开设这门电力电子技术课程， 我觉得对以后 的工作会有很大的帮助。最后我要衷心感谢代电力电子技术课程的李老师。1. 张兴 电力电子技术 科学出版社 2010.72. XX百科