合肥學(xué)院電力電子技術(shù)課程綜述

Hefei功率變換課程綜述課程名稱功率變換任課教師李秀娟班級12自動化（1）班姓名張樂學(xué)號1205031023日期2015年6月1日目錄一、前言 1二、電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容 12.1定義 12.2晶閘管 12.3全控型器件 22.4軟開關(guān)技術(shù) 3三、電力電子技術(shù)的發(fā)展史 3四、電力電子技術(shù)的重要作用 44.1優(yōu)化電能使用 44.2改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè) 54.3電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)發(fā)展 54.4電力電子智能化 5五、電力電子技術(shù)的應(yīng)用展望 55.1在高壓直流輸電(HVDC)方面的應(yīng)用 65.2在柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的應(yīng)用 65.3在電力諧波治理方面的應(yīng)用 65.4在不間斷電源(UPS)中的應(yīng)用 7六、總結(jié) 8參考文獻(xiàn) 8一、前言電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。本文撰寫的目的一是為了闡述現(xiàn)代電力電子技術(shù)對現(xiàn)代社會的作用和價值；二則是為了通過這個寫文章的途徑使我個人對現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展有個大致的了解。當(dāng)然，在文章的寫作中，提高我個人的歸納、分析、綜合能力以及鍛煉自己獨(dú)立工作的能力也是我的主要目標(biāo)之一。二、電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容2.1定義電力電子技術(shù)(PowerElectronicsTechnology)是利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換及控制的一種現(xiàn)代技術(shù),它使電網(wǎng)的工頻電能最終轉(zhuǎn)換成不同性質(zhì).不同用途的電能,以適應(yīng)千變?nèi)f化的用電裝置的不同需要。電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后新興的邊緣學(xué)科。電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。2.2晶閘管1957年開始,晶閘管出現(xiàn)后，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、鋼鐵工業(yè)（軋鋼用電氣傳動、感應(yīng)加熱等）、電力工業(yè)（直流輸電、無功補(bǔ)償?shù)龋┑难杆侔l(fā)展也有力地推動了晶閘管的進(jìn)步。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，因而屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。2.3全控型器件70年代后期開始門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表，全控型器件的特點(diǎn)是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可用于開關(guān)頻率較高的電路，這些優(yōu)越的特性使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新，把電力電子技術(shù)推進(jìn)到一個新的發(fā)展階段，和晶閘管電路的相位控制方式相對應(yīng)，采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。PWM控制技術(shù)在電力電子變流技術(shù)中占有十分重要的位置，它在逆變、斬波、整流、變頻及交流電力控制中均可應(yīng)用。它使電路的控制性能大為改善，使以前難以實(shí)現(xiàn)的功能也得以實(shí)現(xiàn)，，對電力電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。復(fù)合型器件和功率集成電路，80年代后期開始復(fù)合型器件：以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表，IGBT是MOSFET和BJT的復(fù)合，它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)集于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件，與IGBT相對應(yīng)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。模塊：為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助元件做成模塊的形式，這給應(yīng)用帶來了很大的方便功率集成電路：把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前其功率都還較小，但代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方2.4軟開關(guān)技術(shù)隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高，同時，電力電子器件的開關(guān)損耗也隨之增大。為了減小開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）就是軟開關(guān)的最基本形式，理論上講采用軟開關(guān)技術(shù)可使開關(guān)損耗降為零，可以提高效率，也使得開關(guān)頻率可以進(jìn)一步提高，從而提高了電力電子裝置的功率密度三、電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1904年出現(xiàn)了電子管(Vacuumtube)，能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電,從而開了電子技術(shù)之先河20年代末出現(xiàn)了水銀整流器(MercuryRectifier)，其性能和晶閘管很相似.在30年代到50年代,是水銀整流器發(fā)展迅速并大量應(yīng)用的時期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)，電氣鐵道直流變電所，軋鋼用直流電動機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。1947年美國貝爾實(shí)驗室發(fā)明晶體管(Transistor)，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管1960年我國研究成功硅整流管(SiliconRectifyingTube/RectifierDiode)1962年我國研究成功晶閘管70年代出現(xiàn)電力晶體管(GiantTransistor-GTR),電力場效應(yīng)管(MetallicOxideSemiconductorFieldEffectTransistor-MOSFET)80年代后期開始:復(fù)合型器件。以絕緣柵極雙極型晶體管(Insulated-GateBipolarTransistor-IGBT)為代表，IGBT是電力場效應(yīng)管(MOSFET)和雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunctionTransistor-BJT)的復(fù)合。它集MOSFET的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小，載流能力大的優(yōu)點(diǎn)于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。與IGBT相對應(yīng)，MOS控制晶閘管(MOSControlledTransistor-MCT)和集成門極換流晶閘管(IntelligentGate-CommutatedThyristor-IGCT)等都是MOSFET和GTO的復(fù)合,它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。90年代主要有：功率模塊(PowerModule):為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊,體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助元件做成模塊的形式，這給應(yīng)用帶來了很大的方便。功率集成電路(PowerIntegratedCircuit-PIC)：把驅(qū)動,控制,保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路(PIC).目前其功率都還較小，但代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。智能功率模塊(IntelligentPowerModule-IPM)則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT(IntelligentIGBT)。高壓集成電路(HighVoltageIntegratedCircuit-HVIC)：一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路(SmartPowerIntegratedCircuit-SPIC)：一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。四、電力電子技術(shù)的重要作用4.1優(yōu)化電能使用通過電力電子技術(shù)對電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、軋機(jī)冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當(dāng)于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達(dá)10%-40%，我國已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應(yīng)用項目。4.2改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)據(jù)發(fā)達(dá)國家預(yù)測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。4.3電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)發(fā)展機(jī)電設(shè)備將突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小幾倍，幾十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號，實(shí)現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。4.4電力電子智能化在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。五、電力電子技術(shù)的應(yīng)用展望目前所有能源中電力能源中有40％而電力能源中有40％是經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換才到使用者手中。預(yù)計十年后，電力能源中的80％要經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換，電力電子技術(shù)在2l世紀(jì)將起到更大作用。電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，己逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。電力電子技術(shù)作為一門高技術(shù)學(xué)科，由于其在節(jié)能、減小環(huán)境污染、改善工作條件等方面有著重要的作用，現(xiàn)在己廣泛的應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)(例如：電力、機(jī)械、交通、化工、冶金、輕紡等)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(例如：航天、現(xiàn)代化通信等)。下面著重討論電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的一些應(yīng)用。5.1在高壓直流輸電(HVDC)方面的應(yīng)用直流輸電在技術(shù)方面有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián)；(2)可以限制短路電流；(3)沒有電容充電電流；（4）線路有功損耗小：(5)輸送相同功率時，線路造價低；(6)調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠；(7)適宜于海下輸電。隨著大功率電子器件(如：可關(guān)斷的晶閘管、M0s控制的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等)開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的出現(xiàn)和投入應(yīng)用，高壓直流輸電設(shè)備的性能必將進(jìn)一步得以改善，設(shè)備結(jié)構(gòu)得以簡化，從而減少換流站的占地面積、降低工程造價。5.2在柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的應(yīng)用20世紀(jì)80年代中期，美國電力科學(xué)研究院(EPRI)N_G．Hingorani博士首次提出柔性交流輸電技術(shù)的概念。近年來柔性交流輸電技術(shù)在世界上發(fā)展迅速，己被國內(nèi)外一些權(quán)威的輸電工作者預(yù)測確定為“未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支技術(shù)(柔性輸電技術(shù)、先進(jìn)的控制中心技術(shù)和綜合自動化技術(shù))之一”。現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制理論和通訊技術(shù)的發(fā)展為FACTS的發(fā)展提供了條件。采用IGBT等可關(guān)斷器件組成的FAcTs元件可以快速、平滑地調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，從而靈活、迅速地改變系統(tǒng)的潮流分布。5.3在電力諧波治理方面的應(yīng)用有源濾波是治理日益嚴(yán)重的電力系統(tǒng)諧波的最理想方法之一。有源濾波器的概念最早是在20世紀(jì)70年代初提出來的，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。隨著中國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，使用以瞬時無功功率理論為理論基礎(chǔ)的有源濾波器進(jìn)行諧波治理將會有巨大的市場潛力。5.4在不間斷電源(UPS)中的應(yīng)用UPS緊急供電系統(tǒng)是電力自動化系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的根本保證，是計算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源?，F(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率MOSFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件。降低了電源的噪聲，提高了效率和可靠性。電力電子技術(shù)己迅速發(fā)展成為一門獨(dú)立的技術(shù)、學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)部門。毫無疑問，它將成為新世紀(jì)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。電力電子技術(shù)擁有許多微電子技術(shù)所具有的特征，比如發(fā)展迅速、滲透力強(qiáng)、生命力旺盛，并且能與其它學(xué)科相互融合和相互發(fā)展。中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源?，F(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率MOSFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件。降低了電源的噪聲，提高了效率和可靠性。電力電子技術(shù)己迅速發(fā)展成為一門獨(dú)立的技術(shù)、學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個工業(yè)部門。毫無疑問，它將成為新世紀(jì)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。電力電子技術(shù)擁有許多微電子技術(shù)所具有的特征，比如發(fā)展迅速、滲透力強(qiáng)、生命力旺盛，并且能與其它學(xué)科相互融合和相互發(fā)展。電力電子技術(shù)也具有其自身的特色，如高電壓、大容量及控制功率范圍大，因此技術(shù)創(chuàng)新必須跨越高電壓大功率這一關(guān)。當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢是：高電壓、大容量化、高頻化，主電路及保護(hù)控制電路模塊化、產(chǎn)品小型化、智能化和低成本化。而對于電力電子產(chǎn)品而言，