现代电力电子技术与工程实践

第一篇：现代电力电子技术与工程实践

现代电力电子技术与工程实践

华北科技学院信息与控制技术研究所

张全柱工学博士后/教 授

tel: 010-61594884转8076，***

E-mail: qzhzhang@ncist.edu.cn

内 容 提 要

1.引言

2.科学S、技术T、工程E之关系问题

3.电力电子技术的发展与学科定位

4.现代电力电子技术的特点

5.现代电力电子技术的工程实践

6.结论与讨论

自我简介

1983，9—1987，7西安交通大学电气工程系工业电气自动化专业读大学。

1987，9—1990，6西安交通大学电气工程系工业电气自动化专业读硕士研究生。1990,6 —1993, 9内蒙古工学院 电气工程系工业自动化教研室任教。1993，9—1997，3北京交通大学电气工程系铁道牵引电气化专业读博士学位。

1997，4—1999，3铁道科学研究院机车车辆研究所从事博士后研究工作，副研究员。1999，4—2004，4武汉正远铁路电气有限公司工作，任所长，总工程师等职。

2004，4—2007，5北京交通大学电气工程学院电力电子研究所工作，副教授，教授。2007，6— 现在华北科技学院电子信息工程系 信息与控制技术研究所工作，系副主任，教授，硕士研究生导师。

研究方向

电力电子与电能变换技术，电气传动技术，微型计算机检测与控制技术；

轨道交通电气装备技术，煤矿供用电及电气装备技术，等。

第二篇：电力电子技术报告

电力电子技术调查报告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。

电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,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、模块化、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。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。电力电子技术现阶段在各方面的应用都非常的广泛！

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

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。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

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(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,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:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;

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电力电子学界的研究热点,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。

第三篇：电力电子技术读书笔记

关于《电力电子技术》的理解及感想

信息技术系2010级

信息一班

任俊凯

通过阅读《电力电子技术》，我认识到，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。而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。

在模块《功率技术》的阅读中，我了解到，功率电子技术就是利用

电力电子器件实现工业规模电能变换的技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。

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。

而这门技术的作用有很多，比如：（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。

通过阅读这本书，我对电子技术的兴趣愈发浓厚。我明白了电力电

子技术的基本原理和方法及作用。我将会继续深入了解和学习这项技术。希望自己可以在电子技术方面学到更多更深的知识。

第四篇：电力电子技术总结报告

《电力电子应用设计》课程学习总结报告

14001203nn 马云

1． 理论方面：

本课程主要以人造金刚石液压机合成加热调功控制系统为案例，主要学习了单相交流调压电路、触发脉冲发生电路、电压检测电路、电流检测转换电路、相位失衡检测电路、相位失衡保护电路、过压-过流保护电路、电源电路、比较与比例-积分电路等。

我们先将总图分解成三个部分，我所负责的是触发脉冲发生电路和电压检测电路（总图的左上方部分），我先通过DXP软件画出这两个电路的原理图，再通过SIM软件对触发脉冲发生电路和电压检测电路进行仿真，确认无误后用DXP开始PCB图的绘制，因为实际原因（铜板的大小）尽量将元器件安排的紧凑一些，最后将各个成员的PCB图汇总。打印出PCB图后去实验室进行板子的印刷、腐蚀、打孔、焊接，最后用实验室的仪器进行调试。

1.1 主电路及其工作原理

在电路中，要使晶闸管正常导通，必须同时满足下面两个条件：

（1）阳极对阴极加正向电压；

（2）控制极对阴极加正向电压（或正向脉冲）。

而且，晶闸管还有一个重要特点，就是它一旦导通后控制极即失去控制作用，器件始终处于导通状态，除非阳极对阴极电压降低到很小，致使阳极电流降到某一数值之下。

1.2 闭环控制系统主回路及其工作原理

1.3 电源电路及其工作原理

本系统电路工作需要的电源有5V、15V两个 1.3.1 正、负15V电路及其工作原理

桥式整流：用 4个二极管组成的桥式整流电路可以使用只有单个次级线圈的变压器。负载上的电流波形和输出电压值与全波整流电路相同。7815、7915芯片：7815、7915是一种三端正稳压器电路，TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广，内含过流、过热和过载保护电路。

芯片前面两个电容成缓冲，后面两个芯片起滤波作用，使电压更稳定，二级管指示作用。

1.3.2 正5V电路及其工作原理

桥式整流：用 4个二极管组成的桥式整流电路可以使用只有单个次级线圈的变压器。负载上的电流波形和输出电压值与全波整流电路相同。

集成稳压器7805；固定式的三端继承稳压器，它可以在满足一定条件下输出5V电压。

C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容。1.4 保护电路工作原理

1.4.1 相位失衡保护电路及其工作原理

通过LM324运算放大器将电路中的运算信号放大进入到“或”非门和“与”非门中进行比较来判断主电路相位是否失衡。

1.4.2 电压检测与过电压保护电路及其工作原理

电压检测电路：LM324和周围几个电阻组成一个放大运算器用于检测电压。过电压保护电路：电压通过LM324放大再通过与非门和或非门进行比较，当电压过大时断开电路。

1.4.3 电流检测与过电流保护电路及其工作原理

过电流保护电路：电压通过LM324放大再产生电流再通过与非门和或非门进行比较，当电过大时断开电路。2． 电路仿真

运用SIM软件进行仿真。

1、建立仿真文件。

2、绘制原理图。

3、原理图仿真。（一、放置探针。

二、仿真设置。

三、RUN。）3． 实验内容及方法步骤

3.1 实验目的

实现实验电路功能，在此过程中实践电力电子技术课程上所学的知识点。3.2 实验电路

3.3 排版布线

1、焊盘按照板子大小尽可能的大一些。

2、线宽线距尽可能大些一般0.8mm，电源、地线尽可能加粗（根据工作电流而定）。

3、走线一般大于120度，不可以出现90度角走线。

4、走线尽量不要兜圈子、少拐弯，输入输出避免相邻平行走线防止反射干扰、自激。

5、高频电路和主控单片机拉开一定的距离，防止高频干扰，振荡线圈、电容、晶振布线尽可能短，避免分布电容、电感的影响。

3.4 元器件的安装和焊接

1、印刷前先用砂纸去除板子表面氧化铜。

2、腐蚀时注意摇晃和时间，不要腐蚀过度或未腐蚀完全。

3、低发热元件贴板

4、发热较大的元器件离板一定距离或作专门处理，甚至加装散热器，但要固定好

5、电焊工艺要标准。

4． 硬件电路调试方法和过程（此部分不得少于300字）

如按功能分为多个模块，各模块可单独先调，再进行2个或3个模块联调……，最后进行总体联调。5． 心得体会：

5.1学习本课程的收获

在我们完成课设的过程中，我们分工合作通过原理图的绘制以及PCB图的绘制、布线，我们加深了对DXP软件的运用，通过对电路的仿真我们有学会了使用SIM软件。同时在电路板的手工印刷、腐蚀、打孔、焊接中加强了我们的实际动手能力。考验了我们的耐心和细心，最后通过对板子的各种调试，了解板子的各种性能及完成度，又是考验我们对实验室中各种调试仪器比如示波器、电源、变压器等的运用。

5.2本课程内容优点与不足

课程内容丰富，偏向于实际动手操作，老师手把手教我们SIM、DXP等等软件的应用，在课堂上抽出时间给我们的pcb图验错以便我们少走歪路，更快更好的完成自己的课堂任务。PPT生动形象的介绍了一个板子从设计要制作的所有流程。

5.3意见和建议

希望老师能够多给一些时间让我们完善我们的课设作品，时间过于紧凑失误也有很多。

5.4你对那些上课迟到、早退、旷课、玩手机、做其它与课程学习无关的事情以及抄袭作业的同学有什么看法？如果你是老师，你会采取怎样的应对措施？

这是对老师劳动成果的不尊重，一次警告，第二次就扣平时分，扣完为止。6.附录

6.1 附录1 布线图 6.2 附录2 装配图

6.3 附录3 实物图

第五篇：《电力电子技术》学习

《电力电子技术》学习总结

班 级：2015级电气工程及其自动化3班

姓 名：陈怀琪 学 号：*** 指导老师：刘康

2017年12月

一、学习内容：

通过一学期的学习，在刘康老师的细心指导下，明白电力电子技术这门课程大体是以电路和控制理论对电能进行变换和控制的技术，在电力电子领域的地位是十分重要。重点可看作电力的一个变换，交流—直流（整流）、直流—交流（逆变）、交流--交流（交流调压、交流变频）、直流—直流（直流斩波）。通过第一章对之前学过的知识进行一个梳理，为后面的章节作下铺垫，在第二章主要向我们介绍常用电力电子器件的基本结构、工作原理和特性、主要技术参数与选用，介绍是从应用的角度出发，并对各种器件驱动和保护及串并联做了简单介绍。其中刘康老师具体向我们介绍电力二极管主要类型，分别有普通二极管，快恢复二极管、肖特基二极管，晶闸管的静态、动态特性，重点是懂得分辨和了解GTO、GTR（电力晶体管）、MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT的优缺点及应用场合。

在第三章中，其实是本人觉得既是重点也是难点的一章，重点讨论了单相和三相整流电路的几种主要形式，它们是：单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路和三相桥式半控整流电路。内容看似很多，其实像刘康老师说得要举一反三，单相半波可控整流电路具体可分为阻性负载、感性负载，并且在理解的基础上能够画出相对应的工作波形，本章还分析了晶闸管整流装置在不同工作状态下电动机的机械特性及简单介绍谐波抑制和PWM整流技术。第四章向我们介绍直流斩波电路有多种拓扑结构，通常根据输入输出是否隔离分为非隔离型斩波电路和隔离型斩波电路，根据电路形式不同，非隔离型斩波电路可分为降压型斩波电路、升压型斩波电路、升降压型斩波电路、Cuk斩波电路等，学习了他们的工作原理，其主要通过控制触发角占空比间接控制升降压。在第五章学习了交流—交流变换电路，包括交流调压、交流电子开关、交流调功和交—交变频电路。单相交流调压电路通过改变晶闸管的触发延迟角a就可方便地实现对交流输出电压的调节。单相斩波调压电路一般采用全控型器件做交流开关，控制开关的导通时间，从而调节电路输出电压大小。第六章则是学习常用的换流方式，包括全控型器件的控制极关断方式的电网换流、负载换流和强迫换流三种方式，向我们介绍了目前应用最多的PWM逆变电路，及其控制方法。

二、学习收获：

总得下来，要想学会、学号电力电子技术这门课程，必须要学会对图形的分析，和对各种电路波形的分析，在这个过程中，锻炼自己对于电路图形、波形的逻辑性表达能力，在分析电路波形的过程中，要懂得分为细的阶段去分析，而不是一味地看图，明白纵横坐标的物理意义，各个阶段的各个元器件开关是怎么去动作，最重要的是电力变换的过程，明白其变换过程既可分析出各阶段的物理意义及量的关系，再到最后对图形的数学上的运算，有平均值、有效值、周期、峰值等的整定计算。更是要对各个元器件的工作原理、工作特性、优缺点以及其应用场合了解，这样在对图形分析，在对一个项目选用器件型号的时候不会忙手忙脚。

三、学习心得体会：

学完这门课程，明白电力电子技术在整个电子行业的地位重要性，在对电力电子器件分析的过程中，数学模型及图像是必不可少的工具，通过课程安排的实验课，将理论联系至实际，加深我对电力变换过程的理解，恍然明白其应用在我们生活中随处可见，小到我们可见的电动车，大到高楼大厦的电梯，几乎无处不在，可见这门课在电气工程是必修的一门，同时让我产生困惑的一门课，经常混淆单相半波可控整流电路及单相桥式半控整流等电路的电路结构与原理，相对应的图形分析也是需要常常去复习，我认为如果自己能够根据课本内容亲身动手做个小项目，关于可控整流及有源逆变电路这章重难点内容，一定可以很好地掌握，并在以后工作有这方面需求时能够得心应手，在此最后也非常感谢刘康老师对我们班级的细心指导，也在讲课的过程中慢慢可以跟得上老师的节奏，希望能在期末不负老师所望取得好成绩！