电力电子技术的应用综述

电力电子技术的应用综述自动化1101班摘要：电力电子技术是20世纪后半叶诞和发展的一门崭新技术，它不断地创新发展、应用实践，在短短的几十年，电力电子技术已经成为除计算机技术之外的又一未来科学技术支柱；电力电子技术广泛用于几乎所有与电能相关的领域。

文章主要介绍电力电子技术广泛的应用。

关键词：电力电子技术电力电子器件应用电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术应用广泛，它不仅广泛用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、电子装置电源、新能源等，在家用电器、变频空调、UPS、航天飞行器、等领域也有着广泛应用。

随着技术的发展和成熟，以半导体为材料的电力半导体器件取代了电真空器件成为了电力电子器件的绝对主力。

1、电力电子技术在机械装置中的应用直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。

它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等。

如今直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：a、常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便。

b、动态参数调整方便。

c、系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性。

d、可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能。

e、可采用数字反馈来提高系统的精度。

f、：容易与上一级计算机交换信息。

g、具有信息存储、数据通信的功能。

2、在发电环节中的应用2.1 大型发电机的静止励磁控制静止励磁结构简单、可靠性高以及造价相对较低，采用晶闸管整流自并励方式，在世界的各大电力系统被广泛采用。

省去励磁机这个中间惯性环节，使其拥有了特有的快速性调节。

这样使得控制规律的方法和更加先进，效果更加良好。

2.2 水力、风力发电机的变速恒频励磁水头压力和流量决定了水力发电的有效功率，抽水蓄能机组最佳转速变会随着水头的变化幅度而变化。

风速的三次方与风力发电的有效功率成正比，随风速的变化，风车捕捉最大风能的转速也发生变化。

所以机组变速运行，即调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定，从而获得最大有效功率。

变频电源是此项应用的技术核心。

2.3 发电厂风机水泵的变频调速发电厂的厂用电率平均8%，风机水泵耗电量约是火电设备总耗电量的65%，不仅耗量大且运行效率低，为了节能，在低压或高压变频器使用时可以使风机水泵变频调速，从而减少电量的消耗。

目前来讲，低压变频器技术以达到一定的水平，国内外的生产厂家也比较多，只是系列产品还不够完整。

但是高压大容量变频器设计和生产的企业还是比较少，需要院校和企业抓紧联合开发，以满足生产需求。

3、在输电环节中的应用3.1 直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术流输电相对远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电优势独特，因为其不仅输电容量大、稳定性好等优点而且控制调节非常灵活，从。

1970年世界上第一项晶闸管换流器之后，世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀，这也是电力电子技术正式应用于直流输电的里程碑。

3.2 柔性交流输电（FACTS）技术20世纪80年代后期，FACTS技术的概念问世，这是项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可以灵活控制交流输电功率潮流，使得电力系统的稳定水平大大的提高。

20世纪90年代后，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。

其设备结构简单，控制方便，成本较低，所以应用较早。

3.3 在配电环节中的应用如何加强供电可靠性和提高电能质量是配电系统迫切需要解决的问题，电能质量控制既要抑制各种瞬态的波动和干扰，还要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，在FACTS 各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术就是用户电力（Custom Power）技术或称DFACTS技术，它是电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用。

其实FACTS 设备的缩小版就是DFACTS设备，因为其原理、结构、功能是相似。

由于市场较大的需求，所以使用会日益的广泛，再加上电力电子器件价格日益降低，可以预计DFACTS设备产品将迅速进入快速发展期。

4、电力电子技术在汽车行业的应用4.1普锐斯驱动系统简介丰田混合动力系统由以下主要结构部件组成：高效率的汽油发动机，动力分离机构，发电机，电动机，逆变器，升压变换器，镍氢电池，以及对这些进行协调控制的系统控制装置。

发动机的高效率运转和无级变速功能演示：(1) 停车时，发动机停止，发动与轻载运行时仅由电动机驱动EV行驶；(2) 加速时，将发电机作为起动机，起动发动机。

发动机的功率，藉行星齿轮机构分离成直接驱动力与发电机的驱动力，发电机向电动机供电；(3) 急加速时，不仅增加发电机功率，还藉来自蓄电池的功率，以提升电动机的驱动力；(4) 正常行驶时，控制发电机和电动机的转速，达到发动机效率最高。

同时，按照需要对蓄电池进行充电；(5) 减速时，将电动机作为发电机使用，实现能量的回收。

4.2 逆变器单元在prius主驱动系统中，电动机和发电机所用三相电压型逆变器（功率分别为50kw和30kw）被集成在一个模块上，直流母线最大供电电压被设定为500v。

功率器件选用带有反并联续流二极管的商用igbt（850v/200a），该功率等级的igbt具有足以承受最大500v反压的能力，以及其它诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。

功率主回路示意图目前，电动汽车普遍采用pwm控制的电压型逆变器，这种逆变器具有线路简单、效率高的特点，同时pwm逆变器呈现出以下几种发展趋势：a、采用igbt器件，工作频率高，并减少了低频谐波分量和起动时的电流冲击b、电机额定频率相应提高了，扩大了调速范围，在更好地满足运行要求的同时，减少电机的体积和重量，提高功率比。

c、采用dsp为核心的计算机控制系统，能够实现可靠的矢量控制和运算，电机可做到快速恒力矩起动及弱磁高速运行，这种控制系统稳定，电流冲击小，控制效率高。

4.3dc—dc升压变换器单元在ths中，蓄电池组通过逆变器直接与电机和发电机相连；而在ths ii中，蓄电池组输出的电压首先通过dc-dc升压变换器进行升压操作，然后再与逆变器相连，因此逆变器的直流母线电压从原ths的202v提升为现在的500v。

prius thsii可变压系统电路结构图prius ths与ths ii直流供电方式比较这种系统具有如下优点：（1）由于电机的最大输出功率能力是与直流母线电压成正比的，因此与原ths系统的202v 供电工况相比，在不增加驱动电流的情况下，ths ii系统中电机在500v供电时，其最大输出功率以及转矩的输出能力是原ths系统的2.5倍；此外相同体积的电机，还能够输出更高的功率；（2）由于使用了直流母线供电电压可变系统，因此ths ii可以根据电动机和发电机的实际需要，自由的调节直流母线供电电压，从而选择最优的供电电压，达到减少逆变器开关损耗以及电动机铜损的节能目的；（3）对于供电电压一定的蓄电池组来说，由于可以通过调整升压变压器的输出电压的方式，来满足电动机和发电机的实际需要，因此从某种程度上讲，可以减少蓄电池的使用数量，降低整车质量。

4.4dc-dc降压变换器单元prius选用了14v蓄电池组作为诸如控制计算机、车灯、制动器等车载电气设备的供电电源，而对该蓄电池的充电工作则由直流202v通过一个dc-dc降压变换器来完成的.14v蓄电池充电用dc-dc变换器5、在节能环节的运用5.1 变负荷电动机调速运行要想在节能环节有所成就，就必须从电动机本身和变负荷电动机的调速技术的应用两方面入手，只有二者结合起来，电动机的节能才能达到良好的效果。

目前，变负荷的风机、水泵采用交流调速在国外居多，在我国还需要进一步推广应用。

风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量收到良好的效果，其调速范围广，精度高，效率高，可以实现连续无级调速且在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，可以达到30% 的节电率，缺点就是成本较高，产生高次谐波污染电网，即使这样，并不影响其在在冶金、矿山等部门及社会生活中应用推广。

阀门控制和变频控制水泵流量如图1、图2所示。

5.2 减少无功损耗，提高功率因数在电气设备中，属于感性负载的变压器和交流异步电动机，在运行的过程中是有功功率和无功功率均消耗的设备，作为保证电能质量不可缺少的部分无功电源与有功电源是一样的，所以在电力系统中应保持无功平衡，不然就会系统电压降低、功率因数下降、设备遭到破坏，严重时还会造成大面积的停电事故，为防止这样的事情发生，当电力网或电气设备无功容量不足时，增装无功补偿设备，提高设备功率因数势在必行。

6、小结电力电子技术的基础是电力电子器件和基本电力变换电路，电力电子装置都是在此基础上研发出的。

电力电子技术应用十分广泛，从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济各个领域，再到我们的衣食住行，到处都有电力电子技术的存在和魅力。

未来的科技人才必须掌握两门技术即电力电子技术和信息技术，他们将是未来科技发展的两大支柱。