电力电子装置与系统可靠性概述
电力电子技术概述PPT课件
电力电子技术概述PPT课件•电力电子技术基本概念•电力电子器件•电力电子变换技术•电力电子系统分析与设计•典型应用案例剖析•发展趋势与挑战01电力电子技术基本概念它涉及到电力、电子、控制等多个领域，是现代电力工业的重要组成部分。
电力电子技术的核心是对电能进行高效、可靠、可控的转换，以满足各种用电设备的需求。
电力电子技术是一门研究利用半导体器件对电能进行转换和控制的学科。
电力电子技术定义从早期的整流器、逆变器到现在的高频开关电源、智能电网等，电力电子技术经历了多个发展阶段。
发展历程目前，电力电子技术已经广泛应用于工业、交通、通信、家电等各个领域，成为现代社会不可或缺的一部分。
现状随着新能源、智能电网等技术的不断发展，电力电子技术的应用前景将更加广阔。
未来趋势发展历程及现状工业领域电机驱动、电力系统自动化、工业加热等。
电动汽车、高速铁路、航空航天等。
通信电源、数据中心、云计算等。
变频空调、LED照明、智能家居等。
随着新能源技术的不断发展，电力电子技术在太阳能、风能等领域的应用将更加广泛；同时，智能电网的建设也将为电力电子技术的发展提供新的机遇。
交通领域家电领域前景展望通信领域应用领域与前景02电力电子器件电力二极管（Power Diode）结构简单，工作可靠导通和关断不可控主要用于整流电路晶闸管（Thyristor）四层半导体结构，三个电极导通可控，关断不可控主要用于相控整流电路可关断晶闸管（GTO）通过门极负脉冲可使其关断关断时间较长，需要较大的关断电流主要用于大容量场合电力晶体管（GTR）电流驱动的双极型晶体管导通和关断可控，但驱动电路复杂主要用于中等容量场合电力场效应晶体管（Power MOSFET ）电压驱动的单极型晶体管导通电阻小，开关速度快01主要用于中小容量场合02绝缘栅双极型晶体管（IGBT）03结合了MOSFET和GTR的优点01电压驱动，大电流容量，快速开关02目前应用最广泛的电力电子器件之一03电力电子变换技术整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用将交流电转换为直流电。
电力电子技术中的电力电子系统的可靠性如何评估
电力电子技术中的电力电子系统的可靠性如何评估在电力电子技术领域，电力电子系统作为核心组成部分，其可靠性评估是保障系统正常运行和提高能源效率的关键。
本文将介绍电力电子系统可靠性的评估方法和指标，以及在实际应用中的注意事项。
一、可靠性评估方法1. 故障树分析（FTA）故障树分析是一种常用的可靠性分析方法，通过对系统中可能导致故障的事件进行逻辑推导和组合，绘制出故障树图，从而评估系统的可靠性。
该方法适用于定性和定量分析，能够识别出故障发生的概率和影响程度。
2. 可靠性块图（RBD）可靠性块图是将系统拆解为多个可靠性块，通过块之间的连接关系和故障传递路径，评估系统的可靠性。
通过计算块之间传递故障概率或故障传递函数，可以得到系统的可靠性参数。
3. 失效模式与影响分析（FMEA）失效模式与影响分析是一种系统性的方法，通过对系统中可能发生的失效模式进行识别和评估，确定失效的原因和后果，并采取相应的预防措施。
该方法主要用于评估系统的安全可靠性，减少故障的潜在影响。
二、可靠性评估指标1. 故障率（Failure Rate）故障率是评估电力电子系统可靠性的主要指标之一，它表示单位时间内系统发生故障的概率。
故障率越低，表示系统越可靠。
通常使用平均故障率（λ）和故障密度（β）来描述。
2. 可用性（Availability）可用性是指系统在给定条件下正常工作的时间与总时间的比值，它反映了系统对用户需求的满足程度。
可用性的计算可以考虑到维修和故障恢复的时间，从而进一步提高系统的可靠性。
3. 故障恢复时间（MTTR）故障恢复时间是指系统在发生故障后恢复正常运行所需的时间，它是衡量系统恢复能力和可靠性的重要指标。
减少故障恢复时间，能够提高系统的可靠性和稳定性。
三、可靠性评估注意事项1. 数据采集与分析在可靠性评估过程中，需要充分收集和分析与系统相关的故障数据、维修数据和运行数据。
准确的数据能够提高评估的可信度和准确性，并为改进系统提供参考依据。
电力电子系统可靠性概述
10.3 电磁兼容性概述
表10-1 在电力电子产品中常用的电磁兼容标准
标准
标准号
1
安全规范标准
EN 60950
2
传导、辐射干扰
EN 55022 A
3
静电放电
EN 61000-4-2 Level 3
4
辐射电磁场
EN 61000-4-3 Level 2
5
脉冲群
EN 61000-4-4 Level 2
6
10.3 电磁兼容性概述
长 期 以 来 ， 电 磁 兼 容 性 EMC （ Electromagnetic Compatibility）设计问题在一般工业部门并没有引起
足够的重视，在电力电子技术领域也不例外。不少设计 工程师曾误认为EMC问题主要是军事、通信及有关部门 的事情，而事实证明并非如此。
② 该设备或系统自己产生的电磁干扰必须限制在 一定的水平，从而不致对它周围的电磁环境造成严重 的污染和影响周围其它设备或系统的正常工作。
10.3 电磁兼容性概述
就基本理论而言，电力电子系统中的电磁兼容问题与通信 中的电磁兼容问题没有什么原则上的区别。
但是，电力电子系统中的电磁兼容问题具有其固有的特点： ⑴ 在EMI方面，电力电子系统中的电磁噪声对周围电磁环 境所造成的电磁污染和电磁干扰要比通信系统严重得多。 ① 与通信系统相比，虽然电力电子系统的工作频率不高， 但是其工作电压高、电流和功率都较大，因此系统在开关器 件的开关过程中会产生强大的瞬态噪声电压或瞬态噪声电流， 成为强的电磁噪声源，它造成的干扰主要表现为近场辐射和 传导性EMI； ② 电力电子系统中的非线性功率变换电路通常还会导致很 大的谐波电流和谐波电压，造成谐波干扰，它不仅会污染电 网，而且还可能危害设备和系统的运行安全。
电力电子器件与系统
电力电子器件与系统电力电子器件与系统是电力工程领域的一个重要分支，涉及到电力转换、控制和保护等方面的技术研究与应用。
本文将从电力电子器件和系统的概念、应用领域、工作原理以及发展趋势等方面进行论述，以帮助读者全面理解和掌握电力电子技术的基本知识。
一、电力电子器件的基本概念电力电子器件是指能够实现电能的整流、变换、控制和保护等功能的电子器件。
常见的电力电子器件包括晶闸管、可控硅、MOSFET、IGBT等。
这些器件通过控制电压或电流的开关状态，将电能从一种形式转换成另一种形式，以满足不同的电力需求。
电力电子器件具有高效、可靠、灵活等特点，在工业、农业、交通、通信等领域得到了广泛的应用。
二、电力电子器件的应用领域1. 电力系统电力电子器件在电力系统中的应用十分广泛。
它们可以用于电力输配电、电力负荷控制、电力变换和调节等方面。
比如，柔性交流输电技术就是利用大功率晶闸管和换流变换技术实现的，能够提高输电效率，降低线路损耗。
另外，电力电子器件还能实现对电力系统的稳定控制和保护，提高系统的可靠性和安全性。
2. 新能源随着新能源的快速发展，电力电子器件在风电、太阳能等新能源发电系统中的应用也越来越广泛。
电力电子器件可以将不稳定的新能源输出电能转换为稳定的交流电能，并通过逆变器等设备实现对新能源发电系统的功率调节和并网运行控制。
这种技术不仅可以提高新能源发电系统的利用率和可靠性，还可以减少对传统能源的依赖，具有重要意义。
3. 电动汽车电力电子器件在电动汽车领域的应用也十分重要。
电力电子器件可以实现电动汽车电池充电、电能变换和电机控制等功能。
通过电力电子器件的控制，可以实现对电动汽车电池的快速充电和有效管理，提高电动汽车的运行效率和续航里程。
此外，电力电子器件还可以控制电动汽车电机的转速和扭矩，提高汽车的操控性能。
三、电力电子系统的工作原理电力电子系统是由多个电力电子器件和控制电路组成的复杂系统。
这些器件和电路通过合理的连接和控制方式，实现对电能的转换和控制。
电力电子技术中的电力电子系统的稳定性如何保障
电力电子技术中的电力电子系统的稳定性如何保障在电力电子技术领域，电力电子系统的稳定性是保障整个电力系统安全运行的重要因素。
本文将探讨电力电子系统的稳定性保障方法，从设计、控制和维护等方面进行论述。
一、设计保障在电力电子系统设计过程中，需要考虑以下几个方面来保障其稳定性。
1. 合适的元器件选择：电力电子系统的稳定性与所选元器件的性能密切相关。
要选择具有高可靠性、低损耗、高效率的元器件，并且对其参数进行精确计算和选择。
2. 适当的散热设计：电力电子设备工作时会产生大量热量，如果散热不良，会导致系统温度升高，降低系统可靠性。
因此，需要在设计中充分考虑合理的散热结构和散热材料的选择，以确保系统运行温度在允许范围内。
3. 高效的滤波器设计：电力电子系统中经常存在各种干扰，如电磁干扰、高频干扰等。
通过合理的滤波器设计，可以有效地减小干扰对系统的影响，保障系统的稳定性。
二、控制保障电力电子系统的控制是保障其稳定性的重要手段。
下面列举几种常见的控制方法。
1. PID控制：PID控制是一种经典的控制方法，在电力电子系统中广泛应用。
通过精确调节PID控制器的参数，可以实现对电力电子系统的电压、电流等参数的精确控制，保障系统的稳定性。
2. 规模化控制：对于大型电力电子系统，可以采用规模化控制方法，通过多级级联控制的方式，实现对系统的全局控制和保护。
这种方法可以更好地解决系统中的电磁干扰、电压瞬变等问题，提高系统的稳定性。
3. 先进控制算法：随着控制技术的不断发展，越来越多的先进控制算法被引入到电力电子系统中，如模糊控制、神经网络控制等。
这些算法能够更好地适应系统的动态变化和非线性特性，提高系统的稳定性和性能。
三、维护保障电力电子系统的维护工作是保障其稳定性的最后环节。
下面介绍几种常见的维护方法。
1. 定期检查和维护：定期对电力电子系统进行全面的巡检和维护是非常重要的。
检查电力电子设备和元器件的工作状态，发现问题及时进行修复或更换，以防止故障进一步扩大。
电力电子器件失效机理与可靠性
电力电子器件失效机理与可靠性
电力电子器件是指用来实现功率电子转换的一类电子器件，包括：二极管、晶闸管、场效应管、继电器、开关电容器等。
它们在电力电子设备中起着重要的作用。
由于工作环境的恶劣以及长时间高负载运行，电力电子器件容易发生失效，从而影响设备的性能和可靠性。
1. 热失效：电力电子器件在工作过程中会产生大量热量，高温会导致材料的膨胀和热应力的积累，从而导致器件失效。
热电失效是由于温度过高引起的。
2. 电压失效：电力电子器件在工作过程中会受到高电压的作用。
当电压过高时，电力电子器件内部的绝缘材料或器件结构容易破裂，从而导致失效。
5. 力学应力失效：工作环境的振动和冲击等力学应力也会导致电力电子器件失效。
焊接点和铜排的松动会导致器件内部的电流集中，从而烧毁焊点和铜排。
为提高电力电子器件的可靠性，在设计和制造过程中需要采取一系列措施：
1. 优化器件结构和材料选择：选择适合工作环境的材料，提高器件的耐热、耐压能力，降低器件的热导率等。
2. 设计合理的散热系统：通过散热系统将器件产生的热量及时散发出去，降低器件的工作温度，减少热失效的发生。
3. 合理控制电流和电压：设备的电流和电压应在器件的额定范围内，避免超过器件的耐受能力，降低电流和电压失效的发生。
4. 加强绝缘和防护：器件内部的绝缘材料和结构设计要合理，以提高器件的防护能力，降低电气击穿的发生。
5. 加强产品质量控制：在制造过程中严格控制各个环节的质量，确保器件的一致性和可靠性。
电力电子器件的失效机理与可靠性是一个复杂的问题，需要在设计和制造中综合考虑多个因素，并且在使用过程中加强维护和监测，以提高其可靠性和使用寿命。
电力系统及电力设备的可靠性
能 够容 纳超 大 的规模 ，在 空间上
分布 广域， 并且 所传播 的范 围极 大。 电力设 备 的 可靠 性则 反 映 了 设备 的耐久 性、 可靠 性 以及 实用
性 等特 点。 在本 文 中，在 以 电力 系统 和 电力设 备 可靠 性为 基础 之 上，对 电力 系统 进行 了可 靠 性的
３ ． ６评 估 方 法
间、空 间、人员和经费等上达到最好 的效果 。 用两种方法 ：分析方法和模拟方法 的可靠性模 （ ３ ） 生产过程 阶段 的可靠性 ，是在生 产制 型。 但由于 计算量 的可变性 以及误差的可能性 ， 造阶段来实现 电力设备 的可靠性 ，在电力设备 这两种方法要通过有机结合 ，以此来建立可靠 的制造过程 中，出现 的故 障和偏差 发生缺陷的 的评估模型。
Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ● 电力电子
电力系统及 电力设备 的可靠性
文／ 周磊 柏帆 王伟 军
近 些年 ，逐 渐发 展成 为 超 大 规模 复杂 系统 的 电力 系统 ，已经
预定的时间和条件下 ，以完成预定 的功率传输 首先确定系统故障的标准 ，然后视其情节 轻重 能力 。 电 力 设备的可靠性 ，全面反映 了其耐用 的各 种系统故障 ，以及规 定估计的严重性，同 性 、有 效性 、可靠性 和实 用性等特 点。 时也要 规定能够 反映各种故 障严重程度 的各类 （ １ ） 可靠性 的设计 ，是通 过设计产 品为可 指标 。 靠性 奠定基 础 ， 研 究如何预测和预防各种可能
情况下做 出有效 的控 制，从 而使 整体的设计 目 标得以实现。
３ ． ６ ． ２ 建立可靠性 的信息 管理 系统
通过对 现场 运行 的设 备状态 进 行观察 并 且做好记录 ，用计算机对其进行计算处理后 ，
电能质量和可靠性
电压波动和闪变标准：
GB/T 12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》 规定：电力系统公共连接点，在系统运行的较 小方式下，以一周（168h）为测量周期，所 有长时间闪变值Plt满足：≤110kV，Plt=1； >110kV，Plt=0.8。以及单个用户的相关规定。
举例：电压偏差造成的投诉
A类为变电站和发电厂的20kv 、10kv母线电 压；
B类为20kv、35kv、66kv专线供电的和110kv 及以上供电电压；
C类为20kv、35kv、66kv非专线供电的和 10kv供电电压；
D类为380v/220v低压网络供电电压。
常用的几种电能质量监测仪器：
谐波产生的原因：
电能质量和可靠性
引言：
功率因数、线损率、电能质量、供电可靠率 是衡量一个供电企业配电网运行维护和管理的 四个重要经济技术指标。供电企业应将这些指 标的管理作为保障用户电能质量、提高企业自 身效益、指导配电网的规划、建设和运行的重 要工作。上次我们已经对功率因数和线损进行 了培训，今天我们对电能质量和供电可靠性指 标管理进行简要介绍。
案例：电压质量造成家用电器损害，电力 公司应否承担赔偿责任
案情
2002 年 5 月 8 日，在某农场配电室突然短路产生火球，居民用电电压 突然增高，达到 400 伏左右，造成全村停电，大部分居民家用电器烧毁 或出现故障。事故发生后，电力公司实地检查，认为事故是由于用户配 电线路老化，造成电路故障，电压增高。村里居民张某、郭某认为配电 室的产权单位某农场和电力公司对此次事故负有不可推卸的责任。因此 将两单位告上法庭，要求赔偿损失 90000 余元。
电压偏差标准：
GB/T 12325-2008《电能质量 供电电压 偏差》中规定：
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8.2.4 UPS的静态开关
Hale Waihona Puke 1、工作原理：为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式UPS均装 有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故 障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电 直接供电。
2、电路结构：
静态开关的主电路一般由 两只晶闸管开关反并联组成， 一只晶闸管用于通过正半周 电流，另一只晶闸管则用于 通过负半周电流。
（2）直接变频装置
第8章 电力电子装置
8.1 开关电源 8.2 不间断电源（UPS） 8.3 变频调速装置 8.4 电力电子系统可靠性概述
电力电子装 置
8.1 开关电源
8.1.1 开关电源的工作原理
稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 1、线性稳压电源：
指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的 直流稳压电源。
图8.2.4 单相输出UPS的 静态开关原理图
8.3 变频调速装置
由交流电机的转速公式：
n 60 f (1 S ) / P
可以看出：
若均匀地改变定子频率 f，则可以平滑地改变电机的转速。
因此，在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能最好， 使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是 交流调速的主要发展方向。
概述：
1）对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路， 蓄电池充电由专门的充电器来完成。
2）对于中大功率UPS，整流器一般采用相控式整流电路, 它具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向 蓄电池进行充电。
3）减少UPS注入电网的谐波电流的方法： 4）目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可以做到 注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近1，大 大降低了UPS对电网的谐波污染。
目前，在计算机网络系统、邮电通信、银行证劵、 电力系统、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到 广泛应用。
8.2.1 UPS的分类
根据工作方式，UPS电源分 ：
1、后备式UPS
市电存在时，逆变器不工作，市 电经交流稳压器稳压后，向负载供电， 同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。
市电掉电时，逆变器工作，将蓄 电池供给的直流电压变换成稳压、稳
频的交流电压，继续向负载供电。
图8.3.1 后备式UPS的基本结构
特点：结构简单、成本低、运行效率高、价格便宜，但其输出电 压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适于小功率。
2、线式UPS
正常工作时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、 稳频的正弦波交流电压供给负载。
当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。
如果逆变器发生故障，UPS则通过静 态开关切换到旁路，直接由市电供电。当 故障消失后，UPS又 重新切换到由逆变器向负载供电。
特点：总是处于稳压、稳频供电状态，
输出电压动态响应特性好，波形畸变小， 其供电质量明显优于后备式UPS。
图8.3.2 在线式UPS的基本结构
8.2.2 UPS电源中的整流器
➢ 工作原理
在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦波调制PWM波 uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率 有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使 交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率 相同的正弦波。在交流电源电压us一定时，is的幅值和相位由uAB中基 波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相 位，就可以使is与us同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。
该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的 交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。
8.2.3 UPS电源中的逆变器
主电路采用全桥逆变电路，为滤去开关频率噪声，输出采用LC 滤波电路，且采用较小的LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与 负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。
图8.1.1 线性稳压电源方框图
2、开关电源：
工作原理： 图8.1.2 开关电源原理框图
50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁 干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换 电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器 隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。
8.1.2 开关电源的应用
图8.1.4 直流操作电源电路原理图
主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。
8.2 不间断电源
不间断电源：
——Uninterrupitable Power System, 简称UPS
UPS电源装置在保证不间断供电的同时，还能提供 稳压、稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。
图8.3.3 单相PWM整流电路的原理框图
单相PWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图
图8.3.4 直接电流控制系统结构图
直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流 电压Ud比较后送入PI调 节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正 弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号is*，is*与实际的交流输入电 流is进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载 波信号比较形成PWM信号。
8.3.1 变频调速的基本控制方式
（1）基频以下的变频调速
（2）基频以上的变频调速 （3）转差频率控制 （4）矢量控制 （5）控制直接转矩
8.3.2 变频调速装置的分类
（1） 间接变频调速装置
按照电路结构和控制方式的不同，间接变频装置又可以分为三种，如图 8.5.1（a）、（b）、（c）所示。
图8.5.1 间接变频装置的三种机构形式
2、开关稳压电源：
简称开关电源(Switching Power Supply)，指起电压 调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。
1、线性稳压电源：
优点：优良的纹波及动态响应特性； 缺点：（1）输入采用50Hz工频变压器，体积庞大；
（2）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大,效率低； （3） 过载能力差。