合肥学院电力电子技术课程综述.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date合肥学院电力电子技术课程综述合肥学院电力电子技术课程综述Hefei University功率变换课程综述课程名称 功率变换 任课教师 李秀娟 班级 12自动化（1）班 姓名 张 乐 学号 1205031023 日期 2015年6月1日 -目录一、前言1二、电力电子技术的主要内容12.1 定义12.2晶闸管12.3全控型器件22.4 软开关技术3三、电力电子技术的发展史

2、3四、电力电子技术的重要作用44.1 优化电能使用44.2 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业54.3 电力电子技术高频化和变频技术发展54.4 电力电子智能化5五、电力电子技术的应用展望55.1 在高压直流输电 ( HV D C ) 方面的应用65.2 在柔性交流输电系统 (F A C T S )中的应用65.3 在电力谐波治理方面的应用65.4 在不间断电源(UP S )中的应用7六、总结8参考文献8一、前言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

3、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。 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。本文撰写的目的一是为了阐述现代电力电子技术对现代社会的作用和价值；二则是为了通过这个写文章的途径使我个人对现代电力电子技术的发展有个大致的了解。当然，在文章的写作中，提高我个人的归纳、分析、综合能力以及锻炼自己独立工作的能力也是我的主要目标之一。二、电力电子技术的主要内容2.1 定义电力电子技术(Power Elec

4、tronics Technology )是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术,它使电网的工频电能最终转换成不同性质.不同用途的电能,以适应千变万化的用电装置的不同需要。电力电子技术是20世纪后新兴的边缘学科。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。2.2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

5、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

6、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

7、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（

8、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三、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。 1904年出现了电子管(Vacuum tube)，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20年代末出现了水银整流器(Mercury Rectifier)，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

9、，轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。1947年美国贝尔实验室发明晶体管(Transistor)，引发了电子技术的一场革命1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管1960年我国研究成功硅整流管(Silicon Rectifying Tube/Rectifier Diode)1962年我国研究成功晶闸管70年代出现电力晶体管(Giant Transistor-GTR),电力场效应管(Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-MOSFET)80年代后期开始:复合型器件。以绝缘栅极双极型晶体管(Insulated -Gate

10、Bipolar Transistor-IGBT)为代表，IGBT是电力场效应管(MOSFET)和双极结型晶体管( Bipolar Junction Transistor-BJT)的复合。它集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控制晶闸管(MOS Controlled Transistor-MCT)和集成门极换流晶闸管(Intelligent Gate-Commutated Thyristor-IGCT)等都是MOSFET和GTO的复合,它们也综合了MOSFET和GTO两种

11、器件的优点。90年代主要有：功率模块(Power Module):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(Power Integrated Circuit-PIC)：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 。智能功率模块(Intelligent Power Module-IPM)则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT(Intelligent IGBT)。高压集成电路(High

12、 Voltage Integrated Circuit-HVIC)：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路(Smart Power Integrated Circuit-SPIC)：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。四、电力电子技术的重要作用4.1 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，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

13、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。4.2 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，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。 4.3 电力电子技术高频化和变频技术发展机电设备将突破工频传统，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

14、的功能和用途。 4.4 电力电子智能化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。五、电力电子技术的应用展望目前所有能源中电力能源中有40 而电力能源中有40是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的8 0要经 过电力电子设备的转换，电力电子技术在2 l 世 纪将起到更大作用。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是

15、电力、 电子、 控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展， 电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，己逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。电力电子技术作为一门高技术学科 ，由于其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有着重要的作用，现在己广泛的应用于传统工业 ( 例如 ： 电力、机械 、交通 、化工、冶金、轻纺等)和高新技术产业 (例如： 航天、 现代化通信等)。下面着重讨论电力电子技术在电力系统中的一些应用 。5.1 在高压直流输电 ( HV D C ) 方面的应用直流输 电在技术方面有许多优点：(1)不存在系统稳定问

16、题，可实现电网的非同期互联；(2)可以限制短路电流；(3)没有电容充电电流；（4）线路有功损耗小：(5)输送相同功率时，线路造价低 ；(6) 调节速度快，运行可靠； (7)适宜于海下输电。随着大功率电子器件 (如： 可关断的晶闸管、 M0s控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等) 开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的出现和投入应用，高压直流输电设备的性能必将进一步得以改善，设备结构得以简化，从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。5.2 在柔性交流输电系统 (F A C T S )中的应用20世纪80年代中期，美国电力科学研究院(EPRI)N_GHingorani博士首次提出柔性交流输电技

17、术的概念。近年来柔性交流输电技术在世界上发展迅速，己被国内外一些权威的输电工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支技术(柔性输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术)之一”。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术的发展为FACTS的发展提供了条件。采用IGBT等可关断器件组成的FAcTs元件可以快速、平滑地调节系统参数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。5.3 在电力谐波治理方面的应用有源滤波是治理日益严重的电力系统谐波的最理想方法之一。有源滤波器的概念最早是在20世纪70年代初提出来的，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零

18、，从而实现实时补偿谐波电流的目的。随着中国电能质量治理工作的深入开展，使用以瞬时无功功率理论为理论基础的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。5.4 在不间断电源(UP S )中的应用UPS紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行的根本保证，是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。现代UPS 普遍采用脉宽调制技术 和功率MOSFET、IGBT等现代电力电子器件。降低了电源的噪声，提高了效率和可靠性。电力电子技术己迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥

19、有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。现代UPS 普遍采用脉宽调制技术和功率MOSFET、IGBT等现代电力电子器件。降低了电源的噪声，提高了效率和可靠性。电力电子技术己迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。电力电子技术也具有其自身的特色，如高电压、大容量及控制功率范围大，因此技术创新必

20、须跨越高电压大功率这一关。当前电力电子技术的发展趋势是：高电压、大容量化、高频化，主电路及保护控制电路模块化、产品小型化、智能化和低成本化。而对于电力电子产品而言，用于电力系统的电能变换设备、服务于环保和人类健康的电源装置、适合信息社会需要的电源产品、小型电源模块与装置以及高效节能低污染的”绿色”电源产品将是21世纪的主流产品。可以预见 ，在未来现有的电力电子器件的性能会得到不断改进，新的器件和先进的技术会不断出现。据美国总统科学和技术顾问委员会称，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资讯与通信、生命科学、材料和交通。每一领域中电力电子技术都扮演者重要的角色。可见，电力电子技术是现代社

21、会的重要支撑科技，在国民经济各个领域中有着广泛的应用和美好的前景。六、总结21世纪将是电力电子技术的高速发展阶段。随着科技的进步, 电子产品的更新日新月异, 电力电子技术作为电子产品开发研制的源动力, 已成为现代电子技术更新换代的基础, 每年都有新的电力电子技术成果问世。然而, 电力电子 技术在我国尚未普及, 应用的水平长期落后于发达国家。因此, 作为高等院校有关专业的学生和广大的电子工程师熟练掌握这一技术已势在必行, 这不仅是提高效率的需要, 更是我国电子工业在市场上生存、竞争与发展的需求。掌握和普及这一技术, 将对我国电子技术的发展具有深远的意义。作为新大学生的我们世纪，学习电力电子技术并不只限于在学校在课堂。要知道，想要学好这一门技术首先必须对它产生兴趣，当我们在有了兴趣的前提下刻苦钻研，努力深造才有学好它的可能。而电力电子技术的初步掌握对我们即将面临的就业可能会有很大帮助。因为，我们在掌握了一门技术的同时也使自己的各方面能力得到了提高，达到了一个很好的学习效果。参考文献1、陈坚.2004.电力电子学.2版.北京：高等教育出版社2、刘志刚,叶斌,梁辉.2004电力电子学.北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社3、王兆安,黄俊.2006.电力电子技术.4版.北京:机械工业出版社