功率变换技术课程综述

1、Hefei University功率变换技术课程综述授课教师： 李秀娟 系 别： 电子信息与电气工程系 班 级： 自动化（1）班 姓 名： 刘湘玉 学 号： 1405031030 日 期： 2017年5月10日 摘要: 功率变换技术（Power Electronics Technology）是研究电能变换原理及功率变换装置的综合性学科，是在电子、电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科。包括电压、电流、频率和波形变换等知识，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。本课程综述主要介绍了功率变换技术的概况和该课程所学的几个重要知识点，并简要介绍了功率变换技术的发展趋势以及功率变换技术在实

2、际生活中的应用等。功率变换技术的发展是很迅速的，功率变换技术已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。最后，对课程做了总结并写了学习该门课程的一些心得想法。关键字: 整流、逆变、变频、PWM、应用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、 功率变换技术功率变

6、换技术（Power Electronics Technology）是采用半导体电力开关器件构成各种开关电路，按一定的规律，实时，适式地控制开关器件的通，断状态，可以实现电子开关型电力变换和控制的技术。1、整流整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。

7、变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。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，因此在六十年代和七十年代，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-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。2、逆变逆变电路是与整流电路（Recti

8、fier）相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网（中国采用线电压方均根值为380V，频率为50Hz供电制）。由公共电网向交流负载供电是最普通的供电方式。但随着生产的发展，相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求，以至难于由公共电网直接供电。为了满足这些要求，历史上曾经有过电动机发电机组和离子器件逆变电路。但由于它们的技术经济指标均不如用功率变换器件（如晶闸管等）组成的逆变电路，因而已经或正在被后者所取代。七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速

9、发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代，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(GTO)成为当时功率变换器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的功率变换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。 3、变频变频就是改变供电频率。英译：frequency conversion 变频技术的核心是变频器，它通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节，把50Hz的固定电网频改为30130 Hz的变化频率。同时，还使电源电压适应范围达到14227

10、0V，解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。 通过改变交流电频的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。20世纪60年代后半期开始，功率变换器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代功率变换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MOSFET的问世，导致了中

11、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，是传统的功率变换向现代功率变换转化的标志。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提供了重要的技术基础。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。4、PWM技术脉

12、冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为功率变换技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展

13、已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。二、功率变换技术的应用大功率直流电源。它的发展主要以提高单机容量和增加效率为主要目标。电机控制。无论是交流电机还是直流电机均采用功率变换技术来完成电机的速度、转

14、矩、跟随性等控制，但目前更多的是研究直流调速不能涉及的应用领域。电源变换。它的发展主要以增加效率和提高控制性能为主要目标，如电焊机、电磁感应加热、电动机车、电动汽车，电镀电源、电冰箱、洗衣机等控制。高压直流输电。无功功率补偿等等。1 开关型功率变换变换电源。利用半导体开关型电力变换电路，可以经济，有效地将一种频率，电压，波形的电能变换为另一种频率，电压，波形的电能，再对负载供电，使用电设备在最佳的供电电源下工作，获得最大的技术经济效益。仅作为负载供电电源而论，开关型功率变换变换电源在近20年间，已在工业，交通，军事装备，尖端科技等领域中以及日常生活中获得广泛的应用。其基本的应用是：（1）电力系

15、统中的直流远距离输电（2）直流电动机变速传动控制（3）交流发电机变换传动控制（4）电解，电镀等应用领域中的低压大电流可控直流电源。（5）各类高性能的不间断供电电源（UPS）（6）各类恒频，恒压通用逆变电源。 （7）照明灯具用的高频功率变换变换器（电子镇流器）（8）各类低压直流开关电源。（9）蓄电池充电电源。（10）中频或高频感应加热电源。（11）大功率脉冲电源，激光电源。（12）燃料电池，太阳能光-电转换或风力发电系统输出的恒压直流或恒频恒压交流电源。2 开关型功率变换补偿控制器。 开关型功率变换变换电路除了可用作AC/DC，DC/AC，AC/AC，DC/DC功率变换变换电源外，还可用作功率变

16、换补偿器，补偿和控制电力系统中的谐波电流，谐波电压，节点电压，基波阻抗，无功功率，有功和无功功率潮流，平衡电力系统有功功率以及抑制电压瞬变和功率震荡。将开关型功率变换变换器电流源，电压源适当地接入电力系统就可以构成：（1）谐波电流补偿器。功率变换变换电路的输出与电力负载并联，输出谐波电流，补偿非线性负载的谐波电流。使电网电流正弦化。（2）谐波电压补偿器。功率变换变换电路的输出端串联在交流电源与负载之间，功率变换变换输出谐波电压，其值与电网的谐波电压大小相等，方向相反，补偿电网的谐波电压。 （3）无功功率补偿器。功率变换变换电路输出端与负载并联，输出基波无功电流（电流滞后端电压90度），即向负载

17、提供无功功率，改善交流电网功率因数。（4）电网节点电压控制器。（5）电能存取控制器。（6）瞬变电压抑制器。（7）阻抗补偿控制器。3、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、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，这种电源更有着广阔的应用前景。 逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流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，供电弧使用。 由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃

18、弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。4、电力有源滤波器传统的交流-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，不可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

19、型功率变换装置，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段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:（1）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。5、分布式开关电源供电系统分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控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。 八十年代初期，对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期，随着

20、高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现，结合大规模集成电路和功率元器件技术，使中小功率装置的集成成为可能，从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始，这一方向已成为国际功率变换学界的研究热点，论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。 分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳，也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。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阔的应用前景。 三、总结本课程主要学习和掌握以下内容

21、：第二章要点：学习各种主要功率变换器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等，理解功率变换器件的驱动和保护电路的作用。第三章要点：重点学习各种基本斩波电路的工作原理、输入输出关系、电路解析方法、工作特点。第四章要点：学习换流的概念以及换流方式的分类；重点学习单相和三相电压型逆变电路的主要特点、原理分析和计算；理解单相和三相电流型逆变电路的主要特点、原理分析。重点学习PWM控制的基本原理；单相桥式PWM逆变电路中单极性和双极性控制方法分析。重点掌握异步调制和同步调制的概念，规则采样法的概念。理解单相PWM整流电路的工作原理和控制方法分析。第五章要点：学习掌握功率变换电路按分段线性电路进行分析

22、的基本思想、单相整流电路和三相整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响；可控整流电路的有源逆变工作状态，重点掌握产生有源逆变的条件、三相可控整流电路有源逆变工作状态的分析计算、逆变失败及最小逆变角的限制等。第六章要点：学习交流交流变流电路的分类及其基本概念；单相、三相交流调压电路的电路构成、工作原理分析，以及单相电路在电阻负载和阻感负载时计算方法；交流调功电路和交流功率变换开关的基本概念；理解晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性。第七章要点：掌握软开关的基本概念（硬开关、软开关、零电压开关和零电流开关）；重点掌握零电压开关准谐振电路、谐振直流环、移相全桥型零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路的工作原理。功率变换技术这门课程是必修课，在现代科技飞速发展的今天，功率变换技术作为弱电与强电的桥梁，正在与微电子技术和自动控制技术相辅相成快速发展，还与多个学科相互渗透，功率变换技术已经成为当今世界经济的重要支柱。随着功率变换技术应用范围的不断扩大，对从事此项技术人员的需求量也不断扩大，如果能够掌握功率变换技术，对于工