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1、电力电子技术第3讲概念、发展及基本应用简介概述：电力电子的定义国际电器和电子工程师学会（IEEE）的电力电子学会将电力电子技术表述为：有效的运用电力半导体器件，应用电路和设计理论及分析开发工具,实现对电能的高效能变换和限制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。是电力、电子、限制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，与现代限制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等诸多领域亲密相关。概述：电力电子器件的特点电力半导体器件的基本特点是能以小信号输入限制很大的输出，放大倍数极大。电力电子设备成为强弱电之间的接口技术基础。微电子技术(信息处理技术)与计算机技术的新成就,可以通过它移植到传统
2、产业产品。电力半导体器件的另一基本特点是工作于开关状态,正向压降低而反向漏电流小,从而在理论上保证了各类电力电子设备都具有节能性能。概述：电力电子器件的发展概况电力半导体器件工作方式为开关方式：1、传统的电力电子技术以晶闸管(SCR)为核心,其派生器件快速SCR、通导SCR(RTC)、双向SCR(TRIAC)、不对称SCR(ASCR)形成一个SCR大家族。概述：电力电子器件的发展概况（续）2、现代电力电子技术以高频化、全控型的功率集成器件为基础发展的,以可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场控晶体管(功率MOSFET)、绝缘栅级双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、
3、静电感应晶闸管(SITH)、MOS晶闸管(MCT)以及MOS晶体管(MGT)等形成一个新型的全控型电力电子器件的大家族。概述：电力电子器件的发展概况（续）现代电力电子技术在器件、电路及其限制技术方面与传统电力电子技术相比有以下特点:u集成化、模块化、复合化u高频化u全控化u电路弱电化、限制技术数字化u多功能化电力电子技术的应用1、电力电子技术应用于从发电厂设备至家用电器的全部电气工程领域。2、按功能可分为以下几种类型:整流器固定的AC变为可调的DC逆变器固定的DC变为可调的AC斩波器固定的DC变为可调的DC沟通调压器固定的AC变为可调的AC（幅值可调）周波变流器固定的AC变为可调的AC（频率和
4、幅值可调）电力电子技术的应用（续）3、新型全控器件的发展为新型变流电路奠定基础:脉 宽 调 制 技 术 PWM（Pulse WidthModulation）广泛应用于斩波器和逆变器。双零开关谐振电路：零电压ZVS和零电ZCS流开关（ZeroVoltageandZeroCurrentSwitchs）电力电子技术的展望1、器件2、电路的限制技术3、新应用:能量储存设备有源滤波器超导悬浮铁道系统电子化汽车小型化开关电源家用电器电力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年头末六十年
5、头初的硅整流器件,其发展先后经验了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在很多新领域的应用。八十年头末期和九十年头初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。逆变器时代七十年头出现了世界范围的能源危机,沟通电机变频惆速因节能效果显著而快速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的沟通电。在七十年头到八十年头,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,
6、静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。变频器时代进入八十年头,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标记。变频器时代新型器件的发展不仅为沟通电机变频调速供应了较高的频率,使其性能更加完善牢靠,而且
7、使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化供应了重要的技术基础。现代电力电子的应用领域计算机高效率绿色电源高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的快速发展。八十年头,计算机全面接受了开关电源,领先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,依据美国环境爱护署l992年6月17日“能源之星支配规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色
8、电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。现代电力电子的应用领域通信用高频开关电源通信业的快速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，开关频率一般限制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中接受高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,这样可大大减小损耗、便利维护,且安装、增加特别便利。现代电力电子的应用领域直流-直
9、流(DC/DC)变换器DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和限制,同时使上述限制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化现代电力电子的应用领域不间断电源(UPS)不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求供应不能中断场合所必需的一种高牢靠、高性能的电源。沟通市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量
10、经逆变器变成沟通,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载供应能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。现代UPS普遍了接受脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和牢靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很快速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。现代电力电子的应用领域变频器电源变频器电源主要用于沟通电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主
11、电路均接受沟通-直流-沟通方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的沟通输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动沟通异步电动机实现无级调速。国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年头初期,日本东芝公司最先将沟通变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年头初期起先探讨变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,渐渐形成变频空调开发生产热点现代电力电子的应用领域高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能
12、、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广袤的应用前景。逆变焊机电源大都接受沟通-直流-沟通-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz沟通电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧运用。现代电力电子的应用领域大功率开关型高压直流电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经
13、整流变为直流,接受全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最终整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz现代电力电子的应用领域电力有源滤波器传统的沟通-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不行控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(7080)%,网侧功率因数仅有0.50.6。电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手
14、段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体限制电路构成。与传统开关电源的区分是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。现代电力电子的应用领域分布式开关电源供电系统分布式电源供电系统接受小功率模块和大规模限制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。自八十年头后期起先,已成为国际电力电子学界的探讨热点，应用领域不断扩大。分布供电方式具有节能、牢靠、高效、经济和维护便利等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业限制等系统渐渐接受,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为志向的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广袤的应用前景。