功率變換技術(shù)課程綜述

1、Hefei University功率變換技術(shù)課程綜述授課教師： 李秀娟 系 別： 電子信息與電氣工程系 班 級(jí)： 自動(dòng)化（1）班 姓 名： 劉湘玉 學(xué) 號(hào)： 1405031030 日 期： 2017年5月10日 摘要: 功率變換技術(shù)（Power Electronics Technology）是研究電能變換原理及功率變換裝置的綜合性學(xué)科，是在電子、電力與控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興交叉學(xué)科。包括電壓、電流、頻率和波形變換等知識(shí)，涉及電子學(xué)、自動(dòng)控制原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。本課程綜述主要介紹了功率變換技術(shù)的概況和該課程所學(xué)的幾個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹了功率變換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及功率變換技術(shù)在實(shí)

2、際生活中的應(yīng)用等。功率變換技術(shù)的發(fā)展是很迅速的，功率變換技術(shù)已迅速發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的技術(shù)、學(xué)科領(lǐng)域。它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門(mén)。最后，對(duì)課程做了總結(jié)并寫(xiě)了學(xué)習(xí)該門(mén)課程的一些心得想法。關(guān)鍵字: 整流、逆變、變頻、PWM、應(yīng)用Abstract: Power conversion technology (Power Electronics Technology) is a comprehensive discipline of power conversion principle and power converter, in electronics, a new interdis

3、ciplinary foundation for the development of electric power and control technology. It includes voltage, current, frequency and waveform transform knowledge, including electronics, automatic control principle and computer technology etc. the subject. This course mainly introduces the overview of seve

4、ral important points of the power conversion technology and the curriculum, and briefly introduces the development trend of power converter technology and power conversion technology applied in real life. The development of power conversion technology is very rapid, power conversion technology has b

5、ecome an independent the technology fields. Its applications involving almost all industrial sectors of the national economy. Finally, the course is summarized and wrote some experience learning ideas of the course.Key words: rectifier, inverter, frequency conversion, PWM, application正文:一、 功率變換技術(shù)功率變

6、換技術(shù)（Power Electronics Technology）是采用半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成各種開(kāi)關(guān)電路，按一定的規(guī)律，實(shí)時(shí)，適式地控制開(kāi)關(guān)器件的通，斷狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)電子開(kāi)關(guān)型電力變換和控制的技術(shù)。1、整流整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。

7、變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車(chē)、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)、地鐵機(jī)車(chē)、城市無(wú)軌電車(chē)等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國(guó)大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。2、逆變逆變電路是與整流電路（Recti

8、fier）相對(duì)應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路稱(chēng)為逆變電路。可用于構(gòu)成各種交流電源，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)中最常見(jiàn)的交流電源是由發(fā)電廠供電的公共電網(wǎng)（中國(guó)采用線電壓方均根值為380V，頻率為50Hz供電制）。由公共電網(wǎng)向交流負(fù)載供電是最普通的供電方式。但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，相當(dāng)多的用電設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量和參數(shù)有特殊要求，以至難于由公共電網(wǎng)直接供電。為了滿(mǎn)足這些要求，歷史上曾經(jīng)有過(guò)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組和離子器件逆變電路。但由于它們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均不如用功率變換器件（如晶閘管等）組成的逆變電路，因而已經(jīng)或正在被后者所取代。七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速

9、發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)成為當(dāng)時(shí)功率變換器件的主角。類(lèi)似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取＿@時(shí)的功率變換技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。 3、變頻變頻就是改變供電頻率。英譯：frequency conversion 變頻技術(shù)的核心是變頻器，它通過(guò)對(duì)供電頻率的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻改為30130 Hz的變化頻率。同時(shí)，還使電源電壓適應(yīng)范圍達(dá)到14227

10、0V，解決了由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定而影響電器工作的難題。 通過(guò)改變交流電頻的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制的技術(shù)就叫變頻技術(shù)。20世紀(jì)60年代后半期開(kāi)始，功率變換器件從SCR(晶閘管)、GTO(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)發(fā)展到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代功率變換技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的問(wèn)世，導(dǎo)致了中

11、小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門(mén)極雙極晶體管IGBT的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世，是傳統(tǒng)的功率變換向現(xiàn)代功率變換轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWMVVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。4、PWM技術(shù)脈

12、沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為功率變換技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

13、已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。沖量等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。二、功率變換技術(shù)的應(yīng)用大功率直流電源。它的發(fā)展主要以提高單機(jī)容量和增加效率為主要目標(biāo)。電機(jī)控制。無(wú)論是交流電機(jī)還是直流電機(jī)均采用功率變換技術(shù)來(lái)完成電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)

14、矩、跟隨性等控制，但目前更多的是研究直流調(diào)速不能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。電源變換。它的發(fā)展主要以增加效率和提高控制性能為主要目標(biāo)，如電焊機(jī)、電磁感應(yīng)加熱、電動(dòng)機(jī)車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)，電鍍電源、電冰箱、洗衣機(jī)等控制。高壓直流輸電。無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)鹊取? 開(kāi)關(guān)型功率變換變換電源。利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)型電力變換電路，可以經(jīng)濟(jì)，有效地將一種頻率，電壓，波形的電能變換為另一種頻率，電壓，波形的電能，再對(duì)負(fù)載供電，使用電設(shè)備在最佳的供電電源下工作，獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。僅作為負(fù)載供電電源而論，開(kāi)關(guān)型功率變換變換電源在近20年間，已在工業(yè)，交通，軍事裝備，尖端科技等領(lǐng)域中以及日常生活中獲得廣泛的應(yīng)用。其基本的應(yīng)用是：（1）電力系

15、統(tǒng)中的直流遠(yuǎn)距離輸電（2）直流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制（3）交流發(fā)電機(jī)變換傳動(dòng)控制（4）電解，電鍍等應(yīng)用領(lǐng)域中的低壓大電流可控直流電源。（5）各類(lèi)高性能的不間斷供電電源（UPS）（6）各類(lèi)恒頻，恒壓通用逆變電源。 （7）照明燈具用的高頻功率變換變換器（電子鎮(zhèn)流器）（8）各類(lèi)低壓直流開(kāi)關(guān)電源。（9）蓄電池充電電源。（10）中頻或高頻感應(yīng)加熱電源。（11）大功率脈沖電源，激光電源。（12）燃料電池，太陽(yáng)能光-電轉(zhuǎn)換或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的恒壓直流或恒頻恒壓交流電源。2 開(kāi)關(guān)型功率變換補(bǔ)償控制器。 開(kāi)關(guān)型功率變換變換電路除了可用作AC/DC，DC/AC，AC/AC，DC/DC功率變換變換電源外，還可用作功率變

16、換補(bǔ)償器，補(bǔ)償和控制電力系統(tǒng)中的諧波電流，諧波電壓，節(jié)點(diǎn)電壓，基波阻抗，無(wú)功功率，有功和無(wú)功功率潮流，平衡電力系統(tǒng)有功功率以及抑制電壓瞬變和功率震蕩。將開(kāi)關(guān)型功率變換變換器電流源，電壓源適當(dāng)?shù)亟尤腚娏ο到y(tǒng)就可以構(gòu)成：（1）諧波電流補(bǔ)償器。功率變換變換電路的輸出與電力負(fù)載并聯(lián)，輸出諧波電流，補(bǔ)償非線性負(fù)載的諧波電流。使電網(wǎng)電流正弦化。（2）諧波電壓補(bǔ)償器。功率變換變換電路的輸出端串聯(lián)在交流電源與負(fù)載之間，功率變換變換輸出諧波電壓，其值與電網(wǎng)的諧波電壓大小相等，方向相反，補(bǔ)償電網(wǎng)的諧波電壓。 （3）無(wú)功功率補(bǔ)償器。功率變換變換電路輸出端與負(fù)載并聯(lián)，輸出基波無(wú)功電流（電流滯后端電壓90度），即向負(fù)載

17、提供無(wú)功功率，改善交流電網(wǎng)功率因數(shù)。（4）電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓控制器。（5）電能存取控制器。（6）瞬變電壓抑制器。（7）阻抗補(bǔ)償控制器。3、高頻逆變式整流焊機(jī)電源高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源，代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。 逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合， 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。 由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃

18、弧、開(kāi)路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問(wèn)題成為最關(guān)鍵的問(wèn)題，也是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器，通過(guò)對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析，達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。4、電力有源濾波器傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí)，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時(shí)，網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(7080)%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.50.6。 電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新

19、型功率變換裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開(kāi)關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別是:（1）不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流; （2）電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。5、分布式開(kāi)關(guān)電源供電系統(tǒng)分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?，利用最新理論和技術(shù)成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。 八十年代初期，對(duì)分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期，隨著

20、高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù)，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開(kāi)。自八十年代后期開(kāi)始，這一方向已成為國(guó)際功率變換學(xué)界的研究熱點(diǎn)，論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合，如電鍍、電解電源、電力機(jī)車(chē)牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。 三、總結(jié)本課程主要學(xué)習(xí)和掌握以下內(nèi)容

21、：第二章要點(diǎn)：學(xué)習(xí)各種主要功率變換器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等，理解功率變換器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的作用。第三章要點(diǎn)：重點(diǎn)學(xué)習(xí)各種基本斬波電路的工作原理、輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作特點(diǎn)。第四章要點(diǎn)：學(xué)習(xí)換流的概念以及換流方式的分類(lèi)；重點(diǎn)學(xué)習(xí)單相和三相電壓型逆變電路的主要特點(diǎn)、原理分析和計(jì)算；理解單相和三相電流型逆變電路的主要特點(diǎn)、原理分析。重點(diǎn)學(xué)習(xí)PWM控制的基本原理；單相橋式PWM逆變電路中單極性和雙極性控制方法分析。重點(diǎn)掌握異步調(diào)制和同步調(diào)制的概念，規(guī)則采樣法的概念。理解單相PWM整流電路的工作原理和控制方法分析。第五章要點(diǎn)：學(xué)習(xí)掌握功率變換電路按分段線性電路進(jìn)行分析

22、的基本思想、單相整流電路和三相整流電路的原理分析與計(jì)算、各種負(fù)載對(duì)整流電路工作情況的影響；可控整流電路的有源逆變工作狀態(tài)，重點(diǎn)掌握產(chǎn)生有源逆變的條件、三相可控整流電路有源逆變工作狀態(tài)的分析計(jì)算、逆變失敗及最小逆變角的限制等。第六章要點(diǎn)：學(xué)習(xí)交流交流變流電路的分類(lèi)及其基本概念；單相、三相交流調(diào)壓電路的電路構(gòu)成、工作原理分析，以及單相電路在電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時(shí)計(jì)算方法；交流調(diào)功電路和交流功率變換開(kāi)關(guān)的基本概念；理解晶閘管相位控制交交變頻電路的電路構(gòu)成、工作原理和輸入輸出特性。第七章要點(diǎn)：掌握軟開(kāi)關(guān)的基本概念（硬開(kāi)關(guān)、軟開(kāi)關(guān)、零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)）；重點(diǎn)掌握零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路、諧振直流環(huán)、移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路和零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的工作原理。功率變換技術(shù)這門(mén)課程是必修課，在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的今天，功率變換技術(shù)作為弱電與強(qiáng)電的橋梁，正在與微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相輔相成快速發(fā)展，還與多個(gè)學(xué)科相互滲透，功率變換技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的重要支柱。隨著功率變換技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)從事此項(xiàng)技術(shù)人員的需求量也不斷擴(kuò)大，如果能夠掌握功率變換技術(shù)，對(duì)于工