现代电力电子技术幻灯片

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1、现代电力电子技术及其应用,1.现代电力电子技术概述 2.现代电力电力电子技术的应用 3.现代电力电子技术发展趋势,电力电子技术概述,电力电子技术是一门应用于电力领域的电子技 术，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制 的技术。它通过处理并控制电能的形态和电能的流 动向用户提供适合其负载的最佳电压和电流，以达 到节约能源或者满足工艺要求的目的。 电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变 流技术（如整流，变频等）。,电力电子技术的发展,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。 1.半控性器件。一般认为电力电子技术的诞生

2、 是以1957年美国通用电力公司研制出第一个晶闸管 为标志的。但在晶闸管出现之前，用于电力变换的 电力电子技术早已存在。1904年出现电子管，它能,在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电。后来出现了水银整流器，利用对其蒸气的点弧 可对大电流进行控制。晶闸管的出现，由于其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器 。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关闭的器件，因而属于半控性，晶闸管的出现可称为电力电子技术的史前期。 2.全控性器件。70年代后期，以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET)为代表的全控型器,件迅

3、速发展，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。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于频率较高的电力。这些优越的特性把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。与晶闸管电路的相位控制方式相对应，全控型器件电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。它使电路的控制性能大为改善，对电力电子技术的发展产生了深远影响。,3.复合型器件。80年代后期，以绝缘极双极型 晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的有点和BJT通态压降小、载流能力大的有点集于一身，性能十分优越，成为现代

4、电力电子技术的主导器件。 这表明，传统的电力电子技术已从以低频技术处理问题为主向以高频技术处理问题为主的现代电力电子技术开始转变。,现代电力电子技术应用,1.一般工业应用 过程控制与工厂自动化。过程控制中，需要对 泵类和压缩机类负载进行调速得到更好的运行特 征，以满足控制的需要。自动化工厂中的机器人由 伺服电机驱动，而伺服电机往往采用电力电子装置 驱动才能满足需要。 2.在电力系统方面的应用 电力电子技术在电力系统中有很多独特的应用,如高电压直流输电，在输电线路的送端将工频交流变 为直流，在受端再将直流变回工频交流。电力电子技 术和装置已开始在电力系统中起重要作用，使得利用 已有的电力网输送更

5、大容量以及功率潮流灵活可控成 为可能。此外还可用于太阳能发电以及风力发电装置 与电力系统的连接、无功补偿、有源电力滤波等。 3.在交通方面的应用 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，采用整流装置，交流机车采用变频装 置。直流斩波器也广泛应用于铁道车辆。除牵引电动,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。 4.家用电器方面 电力电子照明电源体积小、发光效率高即我们通常所称“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯。此外，变频空调、电冰箱、微波炉等电器也都应用了电力电子技术。,电力电子技术在电源方面的应用,电源是电力电子技术的主要应用领域之一。采 用新型自关断器

6、件和新型电力电子电路组成得半导 体电源装置，在低耗、高效和减少环境污染、改善 劳动条件等方面具有显著的优点。主要包括有直流 稳压电源和交流不间断电源（UPS）。直流稳压电 源用来将市电变为稳定的直流电源，这是几乎所有 的模拟和数字电子电路所必需的；UPS在市电因故 障间断时，为各种重要的、不允许停电的设备提供 可靠的电源。,1.直流稳压电源 直流稳压电源通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。 线性稳压电源：是指电压调整功能的器件始终工作于线性放大区的一种直流稳压电源，是发展最早应用最广泛的一种电源。例如：串联型晶体管直流线性稳压电源的基本原理，晶体管与负载串联，它利用负反馈的原理，以输出

7、电压的变化量去控制晶体管集电极与发射极之间的电阻值，从而维持输出电压近似不变。可见，输出电压要能自动调节，,调整管就必定工作在线性放大区。线性稳压电源具有线路简单、动态响应快、纹波小、干扰小和稳压性能好等优点，但效率低、体积大。 开关稳压电源：广义的说，凡是使用开关进行功率变换的任何功率变换装置都属于开关电源。但习惯上，开关电源主要是指引起电压调整功能的器件是以开关方式工作的一种直流稳压电源。它是利用各类新型自关断器件，通过变换技术而制成的高频开关式直流稳压电源，简称开关电源（SPS）。,开关电源中采用的主要电压变换电路是直-直换流器或其派生电路，电路中的固态器件（晶体管、MOSFET等）作为

8、开关使用，工作在非线性区，或完全导通，或完全截止。 大规模集成电路的迅速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，促进了小型化、轻量化、效率高的隔离式开关电源迅速发展。这种开关电源从输入的交流电源直接进行整流滤波，具有高频隔离变压器，直流稳压是由隔离变压器次级绕组的脉冲电压整流滤波而来的。高频隔离,变压器将电压变换电路和负载隔离开来以起到保护用电器的作用。,RFI滤波器,整流 滤波,高频变换 开关元件,辅助 电路,PWM逻辑 控制,高频隔离 变压器,输出整流 滤波,上图为隔离式开关电源的基本结构，它的核心是一个高频变换电路。,DC输出,在图中，整个电路可分为主电路和控制电路两个部分。主电路

9、由输入整流滤波、高频功率变换和输出整流滤波等环节组成，控制回路包括结构框图中除上述环节外的其他部分。 基本工作原理是：来自电网的交流电压AC首先经过无限频率干扰滤波器和整流滤波电路，变成具有一定脉动成分的直流电压。直流电压经高频功率开关元件，如开关晶体管、场效应管等的变换，把未经稳压的直流电压调制成符合设计要求的高频方波脉冲电压，送给高频隔离变压器的,的初级，在变压器次级感应出的高压被整流、滤波之后就得到了平滑而连续的低纹波输出直流电压。在采用PWM技术的开关电源中，控制电路的作用是通过检测电路采样输出电压的实际值，并将其和给定的参考电压作比较产生误差信号，再经过PWM控制逻辑去调制脉冲宽度，

10、即调节功率开关元件的开关占空比以调节输出电压。辅助电路则对电源或负载提供保护功能。 相比于线性稳压电源，开关电源具有以下的优越性：,.效率高。开关稳压电源的调整管工作在开关状态，因此功率消耗小而效率高。而传统线性稳压电源调整管工作于线性放大区，因而损耗大、效率低。 .稳压范围广。线性稳压电源的电压调整是通过调整管“变阻”实现的，因而调压范围小。开关稳压电源的电压调整是通过对直流电压进行脉宽调制而实现的，因而控制区域大。 .体积小重量轻。开关电源将电网输入的交流电压直接整流再进行PWM控制，省去了体积庞大,的低频变压器。 .安全可靠。开关稳压电源一般都具有辅助电路，以提供自动保护功能。 2.交流

11、不间断电源（UPS） 目前，一些重要的电力用户（通讯系统、航空管理、医院等）对供电系统的可靠性及电源质量的要求越来越高。而普通的电网电压由于各种影响或操作可能出现不正常情况或干扰，如仅仅依靠市电供电，其可靠性和质量都得不到保障。在这种情况下UPS应运而生。,不间断电源(UPS)是一种含有储能的装置。当电网输入电压正常时，UPS将电网电压经过整流、逆变或直接稳压后供给负载，此时的UPS就是一台交流稳压器，同时还可向机内蓄电池充电。当电网输入电压中断时，UPS立即将蓄电池电能经过逆变继续供给负载使用，使负载维持正常工作。下图则为基本UPS电源框图。,负载,蓄电 池组,市电,整流器,逆变器,不间断电

12、源分类 不间断电源按其操作方式可分为后备式UPS和在线式UPS两种。对于后备式UPS，电源中的逆变器总是处于对负载提供后备电源的供电状态，当市电供电中断时由其对负载供电；对于在线式UPS，在逆变器无故障情况下，总是由电源的逆变器给负载供电，从而避免了市电的电压波动和干扰对负载的影响。 不间断电源中的主要技术 UPS整流器,严格来讲，UPS整流器称为“整流充电器”。它不同于一般整流器。其一，除了整流输出直流电压供逆变器作为工作电源之外，还必须保持蓄电池组在额定电平状态；其二，要求输出直流电压波纹系数小，以有利于功率器件的开关过程。 UPS逆变器 UPS逆变器的形式和控制方式决定着交流输出质量的优

13、劣。对于小型逆变器，主要采用MOSFET、GTR等功率器件组成；对于大型逆变器，一般采用晶闸管式逆变器或者自关断功率器件逆变器。,UPS静态开关 在大型UPS电源中均采用反向并联的高速晶闸管组成的静态开关来作为转换元件，它的导通时间可控制在15-40微秒，因而完全能够满足电源间切换要求。静止开关用于逆变器一旦出现故障无时滞地进行切换，将市电切除，使逆变器投入，供电给负载。 电力电子技术在电源方面的应用除UPS和直流稳压电源外，还可以用于电源调整器，采用开关型或谐振型电力电子电路，从而抑制电源线扰动和电源频率偏移等。,现代电力电子技术发展趋势,近年来，微电子技术和计算机技术的革命性进步使得电力电

14、子技术领域的发展异常迅速；功率半导体制造技术的进步使得功率半导体器件的电压、电流处理能力和开关速度有了显著的提高。大容量、高频化、实用化的全控器件，使传统电力电子技术过渡到现代电力电子技术。可以预料，未来的现代电力电子技术将有更大的发展。 1.电力电子器件 大功率化 由于加工工艺的不断进步，各类电力,电子器件的容量日益增大。 高频化 全控型器件正向高速化发展，高频化器件的出现将使变流装置中磁性元件的尺寸减小，重量减轻，有利于装置的小型轻量化。 模块化 把各种电力电子器件的芯片按一定电路联成二单元、四单元或六单元封装在一个外壳内而形成模块，与分离器件相比，具有体积小、结构紧凑等优点。 智能化 将

15、功率器件和低压逻辑电路集成在一块芯片上形成功率集成电路，它将信息处理和电力变换,统一在一起，功率集成电路的成熟和完善将使电力电子技术进入智能化时代。 2.变流电路和控制电路 变流电路是随着电力电子器件的更新而发展的。预计未来短期能诞生的变流电路形式不会太多，但现有的PWM电路、谐振电路的功能会不断提高；效率精度会不断增加，特别是电压、电流及频率的控制范围会有较大提高。 先进的控制技术对改进变流电路的性能是必不可少的关键技术。功率集成电路的进一步完善，为,控制电路的数字化提供了基础。控制电路的数字化是今后的发展方向。 电力电子技术广泛应用于国民经济、人民生活和现代化军事装备等众多领域，是传统产业改造，高新技术发展和国防工业进步的重要支柱。可以断言，现代电力电子技术必定成为信息产业和传统产业之间的重要接口，强电与弱电间的关键桥梁。电力电子技术的进一步发展，将为大幅度节能、降低材料消耗、提高生产效率提供重要手段。电力电子技术的发展即将进入一个崭新的局面。,