电力电子技术概论

《电力电子技术及其应用概论》论文

电力电子技术是20世纪70年代发展起来的新兴技术，是高新技术产业发展的主要基础技术之一，也是传统产业改造的重要手段。（这便是我选修《电力电子技术及其应用概论》课程的原因）

——题记

七天的《电力电子技术及其应用概论》校选课学习让我受益匪浅······

关键词：电力电子技术、电技术基础、电路、半导体、晶闸管、整流、逆变、交流、直流、绿色能源、太阳能······

课程第一讲内容

这是我们学习《电力电子技术及其应用概论》的第一次课，授课老师陈老师首先跟我们介绍了这门课的具体情况。在工程上电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的学科（技术），即应用于电力领域的电子技术或电力处理技术。它不仅与能量产生﹑使用密切相关，而且与电气工程，信息电子学，控制理论等各种学科相互支撑。

陈老师还向我们介绍了电力电子技术的发展史，其中器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性作用，而电力电子技术的概念和基础则是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。

在与传统技术比较中，现代电力电子技术有集成化﹑高频化﹑全控化﹑数字化的特点。查阅书籍，我知道了现代电力电子技术还有智能化﹑模块化﹑高效率化﹑变换器小型化等特点。

变流技术是进行电力变换的技术。按照电力变换功能，电力变换通常份为四大类：AC-DC,DC-AC,DC-DC,AC-AC。

随着生产和科学技术发展的需要，电力电子技术在一般工业、交通运输、电力系统、电子装置电源、家用电器和其他行业如航天飞行器等得到高度发展和广阔应用。

陈老师概括性地介绍之后，我对这门课程开始产生了兴趣。接下来，我们学习了有关电技术的基础知识。首先是电能，它具有无可比拟的优越性，因此在生产和生活中被广泛使用，它的优越性具体表现为：便于转换，输送和控制。初中时我们便初步了解了电路，电路是电流的通路，它是为了某种需要讲某些电工设备火原件按一定的方式组起来的。我们都知道电流的产生是有发电机产生的，老师向我们介绍了发动机产生的电动势是随实践按正弦规律变化的，所产生的正弦交流电是目前供电和用电中最重要的电源。课程中我们巩固了上学期大学物理电学中的一些基础知识（如：相位差，初相位，电流波形），还拓展了关于电容原件通高频，阻低频的作用和具有储存电能的作用。

在课快结束的时候，老师让我们观看了央视10的《走近科学》关于全国政府实行关闭小火力发电站的节目。从节目中我了解到政府实行关闭小火力发电站的政策，从环境影响的角度来说，是可以提高煤炭的使用效率，从而降低生产单位电力所排放到大气中的二氧化碳。但二氧化碳排放总量未必减少。即使假设中国的二氧化碳排放量减少了，但未必导

致全球温室效应的减弱，更不能与一次冷空气的入侵直接关联。

课程第二讲内容

在上节课陈老师想我们讲述了电技术的基础知识后，这次课我们开始接触有关电力电子器件知识。电力电子器件知识分为两节内容，这节课我们学习一些半导体器件。

为了解半导体器件的工作原理，我们首先在老师的指导下温习了原子核外电子排布特点，各个原子或离子间存在的化学键等。本征半导体是硅和锗的单晶，它们是制造半导体器件的基本材料。半导体是依靠自由电子（多数载流子）和空穴（少数载流子）两种载流子导电的物质。杂质半导体按掺入的杂质不同分为N型和P 型两种。

导体中只有自由电子一种载流子，它在电场作用下产生定向的漂移运动，形成漂移电流。载流子将在热骚动状态下产生定向的运动，其中自由电子产生逆电场方向的运动，空穴产生顺电场方向的运动。由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别于导体的一种特有的电流。

PN结的伏特特性是正向导通，反向截止。二极管的基本工作原理就在于利用PN 结的单向导电性这一主要特征。

电力电子器件特征主要有：能处理电功率，器件需由信息电子电路来控制，一般都工作在开关状态。电力电子器件按照驱动电路信号的性质可分为：电流驱动型，电压驱动型。按照器件能够被控制的程度可分为：不可控器件(功率二极管)，半控型器件（晶闸管），全控型器件。电力二极管的主要类型有：整流二极管，快恢复二极管，肖特基二极管。

电力晶体管是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管。其主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型。绝缘栅双极晶体管是兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。陈老师向我们一一介绍了这些晶体管的结构和工作原理，让我们深刻感受到晶体管发明的意义。

在课快结束的时候，老师让我们观看了央视10的《走近科学》关于我国石油现状和北京交通现状与能耗的节目。从节目中我了解到2003年中国原油净进口超过9112万吨，2004年中国将可能取代日本成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。中国原油需求持续膨胀。中石油研究报告预测，2005年、2010年、2015年和2020年中国原油需求分别为2.7亿吨、3.10亿吨、3.5亿吨和4.0亿吨。而北京公交车由十五年前的居民坐15分钟便能到达的车程现在需要耗时近40分钟。这说明了北京交通现在特别是高峰期的车辆拥挤，这也加大了耗油量。

课程第三讲内容

上次课，我们学习了电力电子器件的工作原理和相关结构，这次课，我们继续了解利用电力电子器件组成的整流电路。实际应用中系统的组成主要有控制电路、驱动电路、保和以电力电子器件为核心的主电路组成。出现最早的电力电子电路，将交流电变护电路

为直流电。整流电路的分类可按多种方式：按组成的器件（不可控、半控、全控），按电路结构（桥式电路和零式电路），按交流输入相数（单相电路和多相电路），按变压器二次侧电流的方向（单向或双向）。

相控整流电路中单相半波可控整流电路和单相桥式全控整流电路都可分为带电阻负载和带阻感负载。为建立整流电路的基本概念，陈老师附图向我们详细说明了单相桥式全控整流电路的带电阻负载的工作情况，电路结构和电路波形。单向全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。所以单相全波电路更有利于在低输出电压的场合应用。

整流电路能够得到应用，必然需要有电源作为支持。其中恒压恒频(CVCF)电源是常见的电源。市电正常时，市电经整流器整流为直流向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电。市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换向负载供电。三相可控整流电路分为三相半波可控整流电路（最基本）和三相桥式全控整流电路（应用最广）。它们的共同特点是交流侧由三相电源供电，负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。

三相桥式全控整流电路的导通顺序是相电压最高和最低所对应的正偏器件。三相桥是应用最为广泛的整流电路。

课程第四讲内容

电动机是我们生活中常见的一种电气化设备，电动机将电能转化为机械能，从而带动各种生产机械和生活用电器的运转。电动机的应用很广，种类也很多，但它们工作的原理都是一样的。这节课陈老师主要讲述整流电路的应用。

直流电动机系统——可控整流装置带直流电动机负载组成的系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。

左力右向：

左手定则（电动机定则）。它是确定通电导体在外磁场中受力方向的定则。拇指所指的方向就是磁场对电流作用力（安培力）的方向。右手定则（发电机定则）。确定导体在磁场中运动时导体中感生电流方向的定则。

直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有气隙。其中定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。

为了理论结合实际，陈老师向我们介绍了直流变速空调工作原理。其原理是利用物质汽化蒸发时吸收热量而实现降温。由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和表征制冷系统运行状况的状态参数,根据系统运行优化准则和人体舒适性准则,通过变频等手段调节压缩机输气量,并控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等一切可控部件,保证室内环境并使空调系统稳定工作在最佳工作状态。,的舒适性．

而今在空调市场，“变频空调”的字眼出现的频率越来越频繁。所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。在我国的电网电压为220伏、50赫兹这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。变频空调”的变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、相比于传统空调电能消耗少，其舒适度大大提高。

陈老师还介绍了空调中的主要构件（压缩机，蒸发器）与物质（制冷剂）。

课程第五讲内容

在前面的学习中，我们知道了整流是将交流电变为直流电。而逆变则是与整流相

对应，直流电变成交流电。其中交流侧接电网为有源逆变，交流侧接负载则为无源逆变。

逆变电路主要应用于各种直流电源（如蓄电池、干电池、太阳能电池等）给交流负载供电。逆变电路最基本的工作原理是改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电路中的换流（换相）是电流从一个支路向另一个支路转移的过程。开通是适当的门极驱动信号就可使器件开通。这次课陈老师指导我们主要研究如何使器件关断。

换流方式的有：器件换流（利用全控型器件的自关断能力进行换流）、电网换流（由电网提供换流电压的换流方式）、负载换流由负（载提供换流电压的换流方式）。强迫换流是设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反向电流的换流方式，它通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。单相电压型逆变电路中半桥逆变电路的优点是电路简单，使用器件少，常用于几kW以下的小功率逆变电源。全桥逆变电路主要工作原理共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，其中应用最广的是三相桥式逆变电路。

电流型逆变电路是直流电源为电流源的逆变电路，起主要特点是：直流侧串大电感，相当于电流源，输出电压波形和相位因负载不同而不同，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

PWM (Pulse Width Modulation) 控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值)。其控制的思想源于通信技术。

在课快结束的时候，陈老师让我们观看了央视10的《走近科学》关于我国煤能源现状的节目。节目中我们了解到2000年中国能源消费总量是14亿吨标准煤，2005年是22.47亿吨，每年增长10％。2007年，中国能源消耗26亿吨标准煤，2008年达到28亿吨。除了巨大的浪费，中国每年还出口了相当于4亿多吨的标准煤的产品。

课程第六讲内容

在了解了逆变方式和逆变电路后，这节课陈老师向我们介绍逆变电路的应用。交流电动机调速原理按照供电形分为直流电动机和交流电动机。由于异步电动机的结构简单、价．

格低廉、运行可靠和维护方便等优点，得到了广泛的应用。

上节课我们了解了电动机的结构主要由定子与转子组成。定子是电动机的固定部分，它主要由定子铁心、定子绕组和机座等组成，用于产生旋转磁场。而转子是电动机的旋转部分，它由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成，用于驱动外部机构运动。线型绕组和定子一样，也是在空间安放对称的三相绕组，用于改善电动机的起动性能和调速性能。

定子产生旋转磁场是转子转动的先决条件。三相异步电动机由定子的旋转磁场切割转子导体，使转子产生电流，再与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩而使转子转动。

。通过改变电动机定子绕组的接线，改变电动机的变极调速—改变电动机的磁极对数

磁极对数，从而达到调速的目的。而变频调速是改变电源频率从而使电动机的同步转速变化达到调速的目的的。变频调速的主要优点是调速范围宽，静差率小，稳定性好，平滑性好，能实现无级调速，能适应各种负载，效率较高。

再学习了这节课之后，我们更加了解了变频空调的优点。变频空调是一种使用变频压缩机和模糊控制技术的空调器，能根据室温的变化，调节制冷速度，具有低噪音、耗能低等特点。变频/变速空调相对于传统空调来讲，主要特点是启动电流低、低温运行性能好、制暖性能明显优于传统空调器、控温波动小电网电压适应性强、控温速度快，能迅速将房间带入控温范围。

课程第七讲内容

电力电子技术的开发与利用使各种绿色能源转变而为电能并供给需要。这节课，陈老师主要向我们介绍各种绿色能源的应用。2004年，全世界发电量为174524万亿千瓦时，比上年增长4.09% 。其中中国发电量为21870亿千瓦时，占世界发电量的12.53%，居世界第二位。但我国的使用效率低，电能使用效率不仅远远低于发达国家，甚至低于许多发展中国家。

世界石油价格持续上涨，使能源问题越来越成为全球关注的热点。而中国推广新能源热潮也正加速升温。现今可再生能源和新能源是国家重要的战略替代能源，是建设资源节约型、环境友好型社会，实现我国经济社会可持续发展的客观需要，对增强能源供给、改善能源结构、保障能源安全有重要作用。

绿色能源分为狭义（可再生能源）和广义（包括在能源的生产及其消费过程中，选用对生态环境低污染或无污染的能源）。a常见的可再生能源有太阳能、风能、水能、波浪、潮汐能、生物质能以及余热回收、垃圾燃烧利用等。不可再生能源有石油、煤、天然气、核能等。

核能虽然属于清洁能源，但消耗铀燃料，不是可再生能源，投资较高又不能保证核电站的绝对安全。核电站只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，又是优势是干净、无污染，几乎是零排放，对于发展迅速环境压力较大的中国来说，再合适不过。

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×2.74风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。全球的风能约为

倍。风力10107 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大MW，其中可利用的风能为2×风力发电系统效率很高，由机械能再转化为电能的技术。发电是一种将风能转化为机械能，不是只由一个发电机组成的，而是风力发电机、充电器以及逆变器组成热。我国风能资源年前后，中国风电将成为第二大主2050 具有商业化、规模化发展的潜力。预测，丰富，力发电电源。分钟照射在地球上的太阳能，便足以供40 照射在地球上的太阳能非常巨大，大约全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、、太阳能控制器、蓄电阵列)人类能够自由利用的能源。太阳能发电系统由太阳能电池组(、逆变器等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变池（组）从能源供应安全和清洁利用的角度出发，世界各国正把太阳能的商器为控制保护系统。

我国太阳能资源非常丰富，与同纬度的其他国家业化开发和利用作为重要的发展趋势。

相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。节能灯是用高亮LED在课快结束时，老师让我们观看了央视10的《走近科学》关于度白色发光二极管发光源，光效高、耗电少，寿命长、易控制、免维护、安全环保；是新一代固体冷光源，光色柔和、艳丽、丰富多彩、低损耗、低能耗，绿色环保，适用家庭，商场，银行，医院，宾馆，饭店他各种公共场所长时间照明。无闪直流电，对眼睛起到很世纪光源市场的希望，众多21LED光源是好的保护作用，是台灯，手电的最佳选择。优点预告其未来将逐步取代传统光源。节目中说到若将全国的白炽灯全换为节能灯，多亿度。当前全球能源危机的时候，能源是一种宝贵的资源，600则全国每年可节省碳生活对所以节约能源是我们未来面临的问题。居民平时家具生活的节能减排、低

于我们有重要的借鉴意义。关于逆变原理的学习介绍

逆变电路是指将低电压变为高电压,把直流电变为交流电的电路,它与整流

电路相对应,是通用变频器的核心部件之一,有非常重要的作用.它的基本作用是在控制电路的控制下,将中间的直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源.

逆变电路的工作原理

桥式逆变电路各臂由理想开关T1～T4组成(图1).它们的开关状态由加于其控制极的电压信号决定.桥式电路的PN端加入直流电压Ud,A、B端接向负载.当

T1、T3关合而T2、T4打开时,u0=Ud;相反,当T2、T4关合而T1、T3打开时,u0=-Ud.于是当桥中各臂以频率

f(由控制极电压信号重复频率决定)轮番通断时,输出电压u0将成为交变方波,

其幅值为Ud.其基波可表示为如图f2所示,重复频率为

由式可见,控制信号频率f可以决定出端频率,改变直流电源电压Ud可以改变基波幅值,从而实现逆变的目的.

逆变电路的分类

随着用电设备不断发展,用电设备对交流电源性能参数也有很多不同的要求,发展称为多种逆变电路,大致可以按照以下方式分类:

①按输出电能的去向分,可分为有源逆变电路和无源逆变电路.前者输出的

电能不返回公共交流电网,后者输出的电能直接输向用电设备.

②按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电

流型直流电源供电的电流型逆变电路.

③按主电路的器件分,可分为:由具有自关断能力的全控型器件组成的全控

型逆变电路;由无关断能力的半控型器件(如普通晶闸管)组成的半控型逆变电路.半控型逆变电路必须利用换流电压以关断退出导通的器件.若换流电压取自逆变负载端,称为负载换流式逆变电路.这种电路仅适用于容性负载;对于非容性负载,换流电压必须由附设的专门换流电路产生,称自换流式逆变电路.

④按电流波形分,可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路.前者开关器件中

的电流为正弦波,其开关损耗较小,宜工作于较高频率.后者开关器件电流为非正弦波,因其开关损耗较大,故工作频率较正弦逆变电路低.

⑤按输出相数可分为单相逆变电路和多相逆变电路.

电流型逆变电路适用于动态要求高、调频范围较大的场合.本文介绍的电流型逆变电路容对晶闸管关,换流时间短,发生短路时危险性较小,并且具有输出功率大,构成简洁,易实现．

. ,是一种较理想的电路断时间的要求不高等优点

本课程的学习收获与建议《电力电子技术及其应用概论》这门校选课的选修对于我们土木学院工程管理专业学生来说看似与土木工程联系不大，而实际上，对于各种能源利用转换成电能，而又由电能转换为各种形式的如机械能、热能、光能等供给人类所需所用是具有十分重大的现实意义，同时也是未来土木工程管理者需要了解掌握的知识。这门课共分7讲，内容以电力电子器件和交流-直流、直流-直流、直流-交流、交流-交流四类重要变换及其应用，并介绍了整流电路、逆变电路的原理和应用和太阳能、核能、风能等绿色能源。授课老师陈老师首先介绍学科前沿发展的动向、本门课程所涉及领域及学科的新进展、新成果，来开阔学生的视野，做到不仅是讲授书本知识，还将学生引入该学科的大门，真正做到“入门”。他对于讲授电力电子技术这门课程的指导思想上，建立了“器件——电路——应用”这样一条主线。陈老师思路很清晰，讲课也是深入浅出，令人受益匪浅。在每次课快结束时，总能利用多媒体的优势，让我们观看央视10的《走进科学》，让我们跳出课堂，了解科学，了解能源的应用与社会对节能的重视。

在课程结束时，我想提出一个建议：电力电子技术的学习是有一定难度的，特别是分析各种电路时尤为吃力。为了更好的掌握这门课，又由于我们并非电气学院的学生，到实验室做实验还是比较缺乏一定的条件的，所以希望在今后的学习电力电子技术这门课能尝试在电路分析中引入仿真技术，通过模拟仿真研究电力电子电路的方法，这样可能会给同学更直观的视觉冲击，印象深刻又有兴趣学习。