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1、电力电子技术及其应用概论论文电力电子技术是 20 世纪 70 年代发展起来的新兴技术，是高新技术产业发展的主要基础技术之一，也是传统产业改造的重要手段。 （这便是我选修电力电子技术及其应用概论课程的原因） 题记七天的电力电子技术及其应用概论校选课学习让我受益匪浅关键词：电力电子技术、电技术基础、电路、半导体、晶闸管、整流、逆变、交流、直流、绿色能源、太阳能课程第一讲内容这是我们学习电力电子技术及其应用概论的第一次课，授课老师陈老师首先跟我们介绍了这门课的具体情况。在工程上电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的学科（技术） ，即应用于电力领域的电子技术或电力处理技术。它不仅与能量产
2、生使用密切相关，而且与电气工程，信息电子学，控制理论等各种学科相互支撑。陈老师还向我们介绍了电力电子技术的发展史，其中器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性作用，而电力电子技术的概念和基础则是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。在与传统技术比较中，现代电力电子技术有集成化高频化全控化数字化的特点。查阅书籍，我知道了现代电力电子技术还有智能化模块化高效率化变换器小型化等特点。变流技术是进行电力变换的技术。按照电力变换功能，电力变换通常份为四大类：AC-DC,DC-AC,DC-DC,AC-AC。随着生产和科学技术发展的需要，电力电子技术在一般工业、交通运输、电力系统、电子装置电源、家用电器
3、和其他行业如航天飞行器等得到高度发展和广阔应用。陈老师概括性地介绍之后，我对这门课程开始产生了兴趣。接下来，我们学习了有关电技术的基础知识。首先是电能，它具有无可比拟的优越性，因此在生产和生活中被广泛使用，它的优越性具体表现为：便于转换，输送和控制。初中时我们便初步了解了电路，电路是电流的通路，它是为了某种需要讲某些电工设备火原件按一定的方式组起来的。我们都知道电流的产生是有发电机产生的，老师向我们介绍了发动机产生的电动势是随实践按正弦规律变化的，所产生的正弦交流电是目前供电和用电中最重要的电源。课程中我们巩固了上学期大学物理电学中的一些基础知识（如：相位差，初相位，电流波形） ，还拓展了关于
4、电容原件通高频，阻低频的作用和具有储存电能的作用。在课快结束的时候，老师让我们观看了央视 10 的走近科学关于全国政府实行关闭小火力发电站的节目。从节目中我了解到政府实行关闭小火力发电站的政策，从环境影响的角度来说，是可以提高煤炭的使用效率，从而降低生产单位电力所排放到大气中的二氧化碳。但二氧化碳排放总量未必减少。即使假设中国的二氧化碳排放量减少了，但未必导致全球温室效应的减弱，更不能与一次冷空气的入侵直接关联。课程第二讲内容在上节课陈老师想我们讲述了电技术的基础知识后，这次课我们开始接触有关电力电子器件知识。电力电子器件知识分为两节内容，这节课我们学习一些半导体器件。为了解半导体器件的工作原
5、理，我们首先在老师的指导下温习了原子核外电子排布特点，各个原子或离子间存在的化学键等。本征半导体是硅和锗的单晶，它们是制造半导体器件的基本材料。半导体是依靠自由电子（多数载流子）和空穴（少数载流子）两种载流子导电的物质。杂质半导体按掺入的杂质不同分为 N 型和 P 型两种。导体中只有自由电子一种载流子，它在电场作用下产生定向的漂移运动，形成漂移电流。载流子将在热骚动状态下产生定向的运动，其中自由电子产生逆电场方向的运动，空穴产生顺电场方向的运动。由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流。PN 结的伏特特性是正向导通，反向截止。二极管的基本工作原理就在于利用 PN 结的单向导电
6、性这一主要特征。电力电子器件特征主要有：能处理电功率，器件需由信息电子电路来控制，一般都工作在开关状态。电力电子器件按照驱动电路信号的性质可分为：电流驱动型，电压驱动型。按照器件能够被控制的程度可分为：不可控器件(功率二极管)，半控型器件（晶闸管） ，全控型器件。电力二极管的主要类型有：整流二极管，快恢复二极管，肖特基二极管。电力晶体管是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管。其主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型。绝缘栅双极晶体管是兼具功率 MOSFET 高速开关特性和 GTR 的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。陈老师向我们一一介绍了这些晶体管的结构和
7、工作原理，让我们深刻感受到晶体管发明的意义。在课快结束的时候，老师让我们观看了央视 10 的走近科学关于我国石油现状和北京交通现状与能耗的节目。从节目中我了解到 2003 年中国原油净进口超过 9112 万吨，2004 年中国将可能取代日本成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。中国原油需求持续膨胀。中石油研究报告预测，2005 年、2010 年、2015 年和 2020 年中国原油需求分别为 2.7 亿吨、3.10 亿吨、3.5 亿吨和 4.0 亿吨。 而北京公交车由十五年前的居民坐 15分钟便能到达的车程现在需要耗时近 40 分钟。这说明了北京交通现在特别是高峰期的车辆拥挤，这也加大了耗油量
8、。课程第三讲内容上次课，我们学习了电力电子器件的工作原理和相关结构，这次课，我们继续了解利用电力电子器件组成的整流电路。实际应用中系统的组成主要有控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。整流电路的分类可按多种方式：按组成的器件（不可控、半控、全控） ，按电路结构（桥式电路和零式电路） ，按交流输入相数（单相电路和多相电路） ，按变压器二次侧电流的方向（单向或双向） 。相控整流电路中单相半波可控整流电路和单相桥式全控整流电路都可分为带电阻负载和带阻感负载。为建立整流电路的基本概念，陈老师附图向我们详细说明了单相桥式全控整流电路
9、的带电阻负载的工作情况，电路结构和电路波形。单向全波只用 2 个晶闸管，比单相全控桥少 2 个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的 2 倍。单相全波导电回路只含 1 个晶闸管，比单相桥少 1 个，因而管压降也少 1 个。所以单相全波电路更有利于在低输出电压的场合应用。整流电路能够得到应用，必然需要有电源作为支持。其中恒压恒频(CVCF)电源是常见的电源。市电正常时，市电经整流器整流为直流向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电。市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换向负载供电。三相可控整流电路分为三相半波可控整流电路（最基本）和三相桥式全控整流电路（应用最广） 。它们的共同特点是交
10、流侧由三相电源供电，负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。三相桥式全控整流电路的导通顺序是相电压最高和最低所对应的正偏器件。三相桥是应用最为广泛的整流电路。课程第四讲内容电动机是我们生活中常见的一种电气化设备，电动机将电能转化为机械能，从而带动各种生产机械和生活用电器的运转。电动机的应用很广，种类也很多，但它们工作的原理都是一样的。这节课陈老师主要讲述整流电路的应用。直流电动机系统可控整流装置带直流电动机负载组成的系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。左力右向：左手定则（电动机定则） 。它是确定通电导体在外磁场中受力方向的定则。拇指所指的方向就是磁场对电流
11、作用力（安培力）的方向。右手定则（发电机定则） 。确定导体在磁场中运动时导体中感生电流方向的定则。直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有气隙。其中定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。为了理论结合实际，陈老师向我们介绍了直流变速空调工作原理。其原理是利用物质汽化蒸发时吸收热量而实现降温。由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和表征制冷系统运行状况的状态参数,根据系统运行优化准则和人体舒适性准则,通过变频等手段调节压缩机输气量,并控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等一切可控部件,保证室内环境的
12、舒适性,并使空调系统稳定工作在最佳工作状态。而今在空调市场， “变频空调”的字眼出现的频率越来越频繁。 所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。在我国的电网电压为 220 伏、50赫兹这种条件下工作的空调称之为“定频空调” 。变频空调”的变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、相比于传统空调电能消耗少，其舒适度大大提高。陈老师还介绍了空调中的主要构件（压缩机，蒸发器）与物质（制冷剂） 。课程第五讲内容在前面的学习中，我们知道了整流是将交流电变为直流电。而逆变则是与整流相对应，直流电变成交流电。其中交流侧接电网为有源逆变，
13、交流侧接负载则为无源逆变。逆变电路主要应用于各种直流电源（如蓄电池、干电池、太阳能电池等）给交流负载供电。逆变电路最基本的工作原理是改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电路中的换流（换相）是电流从一个支路向另一个支路转移的过程。开通是适当的门极驱动信号就可使器件开通。这次课陈老师指导我们主要研究如何使器件关断。换流方式的有：器件换流（利用全控型器件的自关断能力进行换流） 、电网换流（由电网提供换流电压的换流方式） 、负载换流由负（载提供换流电压的换流方式） 。强迫换流是设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反向电流的换流方式，它通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称
14、为电容换流。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。单相电压型逆变电路中半桥逆变电路的优点是电路简单，使用器件少，常用于几 kW 以下的小功率逆变电源。全桥逆变电路主要工作原理共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，其中应用最广的是三相桥式逆变电路。 电流型逆变电路是直流电源为电流源的逆变电路，起主要特点是： 直流侧串大电感，相当于电流源，输出电压波形和相位因负载不同而不同，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。PWM (Pulse Width Modulation) 控制就是脉宽调
15、制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值)。其控制的思想源于通信技术。在课快结束的时候，陈老师让我们观看了央视 10 的走近科学关于我国煤能源现状的节目。节目中我们了解到 2000 年中国能源消费总量是 14 亿吨标准煤，2005 年是22.47 亿吨，每年增长 10。2007 年，中国能源消耗 26 亿吨标准煤，2008 年达到 28 亿吨。除了巨大的浪费，中国每年还出口了相当于 4 亿多吨的标准煤的产品。课程第六讲内容在了解了逆变方式和逆变电路后，这节课陈老师向我们介绍逆变电路的应用。交流电动机调速原理按照供电形分为直流电动机和交流电动机。由于异步电
16、动机的结构简单、价格低廉、运行可靠和维护方便等优点，得到了广泛的应用。上节课我们了解了电动机的结构主要由定子与转子组成。定子是电动机的固定部分，它主要由定子铁心、定子绕组和机座等组成，用于产生旋转磁场。而转子是电动机的旋转部分，它由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成，用于驱动外部机构运动。线型绕组和定子一样，也是在空间安放对称的三相绕组，用于改善电动机的起动性能和调速性能。定子产生旋转磁场是转子转动的先决条件。三相异步电动机由定子的旋转磁场切割转子导体，使转子产生电流，再与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩而使转子转动。变极调速改变电动机的磁极对数 。 通过改变电动机定子绕组的接线，改变电动机的磁极对数，从而达到调速的目的。而变频调速是改变电源频率从而使电动机的同步转速变化达到调速的目的的。变频调速的主要优点是调速范围宽，静差率小，稳定性好，平滑性好，能实
