电力电子技术及应用论文

电力电子技术及应用

引言：

自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代

电气传动技术舞台。从工程应用的角度看,无论是电力、机械、矿冶、交通、石油化工、轻纺等传统产业,还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高科技产业,都迫切需要提供高质量的电能,特别是要求节能。而电力电子则是实

现将各种能源高效率地变换成高质量电能、节能、环保和提高人民生活质量的

重要手段,它已经成为弱电控制与强电运行之间,信息技术与先进制造技术之间,传统产业实现自动化、智能化、节能化、机电一体化的桥梁。电力电子的突出

特点是高效、节能、省材,所以电力电子已成为我国国民经济的重要基础技术,

是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。因此,无论上述诸多高技术应用领域,还是各种传统产业,乃至照明、家电等量大面广的,与人民日常生活密切相关的

应用领域,电力电子产品已无所不在。

电力电子技术概述

电力电子技术是一门新兴的应用与电力领域的电子技术，就是使用电力电

子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子

技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可小至数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。电力电子技术现已成为现代电气工程与自动化专业

的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉二形成的。其概

念的基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。电力电子技术的

应用范围及其广泛，比如优化电能使用，通过电力电子技术对电能的处理，使

电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化；改造传统产业和

发展机电一体化等新兴产业，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设

备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了

条件，成为发挥计算机作用的保证和基础；电力电子技术高频化和变频技术的

发展，将是机电设备突破工频传统，向高频化方向发展，实现最佳工作效率，

将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何

基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途；电力电子智能化的发展，在

一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展可能引起电子技术的重大改革。

电力电子技术的内容可分为：

1、电力电子器件；

2、相控型整流器和有源逆变电路；

3、直流电压变换电路；

4、交流电压变换电路；

5、电力电子应用技术。

电力电子器件

常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安

全工作区。

1、根据开关器件是否可控分类

（1）不可控器件：二极管VD。

（2）半控器件：普通晶闸管SCR。

（3）全控器件：GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。

2. 根据门极(栅极)驱动信号的不同

(1) 电流控制器件

驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该类器件有SCR、GTO、BJT。(2)电压控制器件

驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有功率MOSEET、IGBT。

3. 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器

件和复合型器件。

(1) 单极型器件功率MOSFET 。

(2) 双极型器件二极管、SCR、GTO、BJT。

(3) 复合型器件IGBT，是电力电子器件发展方向。

（4）电力电子器件中电压，电流额定值从高往低的器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。工作频率从高往低的器件是功率MOSFET、

IGBT、BJT、GTO和SCR

可控整流器与有源逆变器：

主要内容：

整流器的结构形式、工作原理，分析整流器的工作波形，整流器各参数的

数学关系和设计方法;整流器工作在逆变状态时的工作原理、工作波形。变压器

漏抗对整流器的影响、整流器带电动机负载时的机械特性、触发电路等内容。

学习重点包括：

(1) 学习不同型式整流电路的工作原理，波形分析与数值计算、各种负载对

整流电路工作情况的影响。

(2) 变压器漏抗对整流电路的影响，重点建立换相压降、换相重叠角等概念，

并掌握相关的计算，熟悉漏抗对整流电路工作情况的影响。

(3) 掌握产生有源逆变的条件、逆变失败及最小逆变角的限制等。

(4) 熟悉锯齿波移相触发电路的原理，建立同步的概念，掌握同步电压信号

的选取方法。

交-交变换器：

主要内容：

晶闸管单相和三相交流调压器；全控型器件的交流斩波电路；交-交变频器；交-交(AC-AC)变换器的应用。

交流调压电路通常由晶闸管组成，用于调节输出电压的有效值。与常规的

调压变压器相比，晶闸管交流调压器有体积小、重量轻的特点。其输出是交流

电压，但它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。

控制方法：

(1) 通断控制。即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺点是

输出电压或功率调节不平滑。

(2) 相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载

与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。

基本结构和工作原理

单相交-交变频电路由两组反并联的晶闸管整流器构成，和直流可逆调速系统用的四象限变换器完全一样，两者的工作原理也相似。