电力电子技术论文.doc

_电力电子技术课程论文 论文题目:_电力电子技术的应用与发展_ 日期： 2011 年 5 月 20 日 教师评语: _ _ _成绩（五级记分制）:_ _ 指导教师（签字）:_ _ 电力电子技术的应用与发展一 电力电子技术的兴起电力电子技术是一门新兴的应用于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，也可以小到数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。 现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。如：一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业； 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海 ；电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿； 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力；家用电器： “节能灯”、变频空调 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置 。二 电力电子技术的作用(1) 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。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。 (2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，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。 (3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使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。 (4) 电力电子智能化的进展，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，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。 三 现代电力电子技术的发展及未来趋势电力电子技术是指利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,对节省电能有重要意义,从根本上讲,电力电子技术也是研究电源的技术。目前,电力电子作为智能化、自动化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,随着第三代半导件器件的成熟和应用,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用且节能高效,实现高效率和高品质用电相结合。 电力电子技术起始于五十年代末六十年代初,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,八十年代末和九十年代初,是以IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的全控型功率半导体复合器件时代,其发展以低频技术向以高频技术方向转变。 1.1整流器时代 大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。但目前也只有国产晶闸管可在世界上与其他国家生产的同类产品相媲美,甚至略胜一筹。 1.2逆变器时代 七十年代出现了全控型器件,它们在交流电机变频调速因节能效果显著而得到迅速发展和广泛应用。随着变频调速装置的迅速发展,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管和门极可关断晶闸管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电,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。 1.3变频器时代 进入八十年代后期,以绝缘栅双极晶体管为代表的复合型器件异军突起。随之而来大规模和超大规模集成电路技术也得到迅猛发展。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,导致了中小功率电源向高频化发展,也为大中型功率电源向高频发展带来机遇。 新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电力电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。 1.4基于新型材料的电力电子器件的发展 进入二十一世纪,碳化硅可制作出性能更加优异的耐高温(300500)、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。此新器件将在今后510年内出现,并将对半导体材料产生革命性的影响。碳化硅也将真正引领电力电子技术领域的又一次革命。 2. 高频开关电源的发展趋势 电力电子技术实质上是研究电源的一门技术,在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。 2.1 集成化和模块化 几乎所有全控型器件都是由许多微小的器件单元胞并联而成的,即一个器件由许多子器件所集成。模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的集成模块化,其二是指电源单元的集成模块化。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。2.2 高频化 理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5-l0%。由于这个原因,在电力电子界人们为了使全控型器件的开关频率突破20kHz的极限,曾经掀起所谓的20kHz的革命。这标志着电力电子技术已进入高频化时代。 2.3 全控化 电力电子器件实现全控化,是现代电力电子器件在功能上的重大突破,从而避免了传统电力电子器件关断时所需要的强迫关断换流电路,既简化了电路结构又提高了系统的可靠性。 2.4绿色化 电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能对电网产生污染,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 2.5电路形式的弱电化和控制技术的数字化 全控型器件的高频化促进了电力电子电路拓扑形式的弱电化。PWM电路、谐振变换和高频斩波等电路这些本来用于弱电领域的电路而今又成为电力电子电路的主要拓扑形式。伴随着微电子技术的迅猛发展,电力电子电路的控制技术也在逐步实现全方位的数字化和集成化。 在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。 总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新材料、新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、集成化和模块化、弱电化和数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。 参考文献: 【2】 王兆安,黄俊.电力电子技术【M】北京:机械工业出版社 , 2005.(09 ). 【4】姜山,黄可,冯瑞华.宽禁带半导体器件的发展与应用【M】北京:机械工业出版 社 , 2001.(09 ). 【5】