第4章直流斩波电路 4.1概述 136 4.2直流斩波电路的工作原理 4.3斩波电路的控制… 44桥式斩波电路 4.5 MOSFET、BT和EBT斩波器… 4.6晶闸管斩波电路 习题与思考题 第5章无源逆变器 5.1概述… 52180导通的电压源型三相逆变器… 5.3串联二极管电流源型逆变器 54正弦脉宽调制(SPwM)技术……………… 169 55PwM逆变器 56PwM逆变器的特殊问题 习题与思考题 第6章有源功率因数校正 6.1概述 6.2峰值电流控制的双级式APFC 6.3平均电流控制的双级式APFC 64单级式功率因数校正变换器…… 65三相功率因数校正 习题与思考题 212 第7章软开关技术及其应用 7.1概述 72谐振直流环节逆变器……………………………………… 216 7.3极谐振型逆变器………… 74移相控制软开关PWM变换器 习题与思考题…… 4 第8章开关电源 8.1概述…… 243 82DCDC变换的开关电源… 83单端功率输出的直流变换器 84单端反激式开关电源 85单端正激式变换器… 8.6半桥式变换器…… 87全桥式变换器的开关电源 276 习题与思考题……
绪论 、电力电子学的科学性政与发辰 电力电子学( Power electronics)是研究采用半导体器件实现对电能的控制和变换的科 学,它是一门应用于电力技术领域中的电子学。自1974年,国际上开始接受了W· Newell 的定义,即把电力电子学作为介于电气工程三大主要 领域——电力、电子和控制之间的交叉学科,如图所 示。所以电力电子学是应用电子学的一个分支,是与 电气工程的主要学科紧密相关的 电子学 电力电子学是随着电力半导体器件的发展而发展 的。1948年晶体管的发明,使电子工业产生了一次革 连线/抽样 命。957年晶闸管的出现和在电力领域中的应用,实 质上就是电力电子学的开端(晶闸管雏型在1956年由 贝尔电话研究所的 John Mol研制出来,1958年由通用 描述电力电子学是一门 电气公司的RA·York等完成了其生产工艺,并开始将 其应用于电力控制)。1980年可关断晶闸管GTO的商 交又学科的三角形 品化(2500V/1000A),使电力电子学向前推进了一大步。1975年美国 Siliconix公司制造出 V形沟道的金属氧化物半导体场效应功率晶体管,即 MOSFET1988年ECBT的出现,它 集功率晶体管B和场效应功率晶体管的优点于一体,这是电力半导体器件向理想化方面 迈进的最重大事件,使电力电子学的发展进入到一个日新月异的阶段。与此同时,新的电 路、新的控制技术也不断出现,助使电力电子学向更新、更深的领域发展。另一方面,电 力电子学作为一门交叉学科,它反过来又向其邻近的学科渗透,特别是电工技术领域也出 现了前所未有的新的发展局面。 电力电子学包含以下三个方面的内容: (一)电力电子器件 电力电子器件是电力电子学发展的基础。目前,电力电子器件主要有硅整流二极管 ( Diode)、晶闸管( Thyristor)、双极型功率晶体管(BT)、功率场效应晶体管( MOSFET 和绝缘基极的功率晶体管(【GBF)。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化方 面发展。 在高电压大电流的应用中(如高压直流输电、无功补偿等),目前晶闸管仍占主导地 位,但由于ICBT开关速度快、又是电压驱动元件、控制灵活,因此在100W以下的电 力变换器中,IGBT是当然的佼佼者。也正因为如此,GBT发展很快,开关电源中的单管
IGBT元件,如IR公司的600V、30A、工作频率为150kHz的产品, Mitel公司的1200V、 40A、工作频率75kHz的产品,已有取代 MOSFET的趋势。在GB模块化方面,已有把驱 动与保护都集成在一块的智能模块(PM),还有将整流和逆变器集在一块的功率集成模 块(PM)。电力半导体器件的发展,自然助进了电力电子装置的发展与更新换代。 (二)电力电于电路及装置 采用半导体器件实现电能的控制与变换,其功率范围从数十瓦到数千瓦。例如家用电 器和调光台灯,功率一般都是数十瓦到数百瓦;电动汽车和电车等功率一般是几十千瓦到 数百千瓦;轧钢机和高压直流输电等,功率一般是数千千瓦以上。 电力电子电路及装置是电力电子学的主体。电力电子电路及装置通常被叫做变换器 ( Converter),按照电能变换功能可分为如下几类 (1)DC→DC变换器:可改变电压幅值的大小,实现直流对直流的变换,一般叫做斩 波器( Chopper)。 (2)AC→DC变换器:可改变电压和频率,实现从交流到直流的变换,一般叫做整流 ( Rectifier) (3)AC→AC变换器:可改变电压和频率,实现从交流到交流的变换,一般叫做周期 变换器( Cycle converter)。 4)DC→AC变换器:可改变电压和频率,实现从直流到交流的变换,一般叫做逆变 器( inverter)。 (5)AC→DC→AC变换器:这是一个复杂的而又最常用的电力电子变换系统,是由整 流器和逆变器构成的,中间有一个直流环节。在电力系统中,它是一个典型的高压直流输 电系统。在交流调速中,它是典型的变压变频变换器( VVVF Converter),其输出频率的变 化范围很广 除了上述典型的变换器外,还有由这些变换器组合起来的电力电子变换器,如不停电 电源(AC→DC→AC)和开关电源(AC→DC→DC)等。 电力电子器件和电力电子电路相互之间的依赖关系很密切。新器件的出现会促使电路 达到新的水平,新的电路设计又反过来对器件提出新的要求。随着电力电子器件的功率 化、高速化,电力电子电路的容量水平和频率范围不断提高,电能变换的性能也越来越 好。 (三)电力电子电路的控制系统 电能的控制与变换是通过变换频率、变换电压来满足各种不同应用的要求。为了实现 这一目的,电力电子电路就离不开各式各样的模拟控制、检测反馈等信息处理与信号控制 系统。 同一电力电子电路,由于控制水平的提高,可以使电路达到更为完善的性能水平。脉 冲宽度调制(即PWM)技术对直流调速、交流调速、开关电源的影响便是一个明显的例 子。最近出现的有源功率因数校正技术,采用电压电流波形跟踪、输出电压反馈和电压前 馈控制,能使普通整流器的功率因数从0.5提高到0.99以上,变成了无谐波污染的“绿 色”用电装置。所以新的控制方式的研究和新的控制工具的使用是电力电子学的重要内
微处理器在电力电子装置中的应用,说明了当代学科间是互相渗透的。由于自动控制 技术的发展,电力电子学不仅与电子学紧密相关,而且已经和计算机科学发生了紧密的联 系。特别是最近几年来,由于微电子技术的发展,工业控制的功能模块或专用芯片不断涵 现。例如,美国的AD公司和m公司都推出了用于电动机调速的数字信号处理器(DSP) 将32位的DSP和外设都集成在一块芯片上,ADMC300和TMs320C240把DSP、CPU、ADC 和PwM等外设都集于一体,使ACDC→DCAC变换器的控制系统变得小型化和高可靠性, 使变换装置更加完美,很容易实现系列化和标准化。 二、电刀电子学的应用领巘 电力电子学是近20多年来发展的新型学科,具有很强的生命力。据预计21世纪的主 导工业第一是信息产业,第二是计算机与电力电子。因此电力电子学将在以下领域得到长 足发展和应用 )节约能源的应用领域 从节能的观点出发,人们对电力电子学的评价很高,例如把电力电子学称为20世纪 新的电气技术,节能的王牌。具体体现如下 (Ⅰ)降低通态压降,提高整流效率而节能。在加0世纪80年代人们就认识到,用硅整 流二极管和晶闸管替代水银整流器时,将其导通压降降低可节约大量的电能。如,我国沈 阳某铝厂改造后,整流效率从93.5%提高到97.5%,功率因数也从89%提高到90.6% 因而每天可节约电21万kWh。又如,沈阳某冶炼厂经过改造后,年节电量为950万kWh。 在低压大电流整流中,目前国外的趋势是采用通态压降非常低的(约0.3V)肖特基二极 管,可进一步提高整流器的效率,节约电能。 (2)调速节能。釆用变频器实现调速节能,对风机、水泵类负载节能潜力很大。目前 我国的风机、水泵基本上采用电动机全额运行,通过挡板节流来调节流量与压力,这使能 量损失在阀门上,浪费很大。如果改用电力电子变换器实现变频调速,即通过调节电动机 的输入能量来达到调节流量与压力的效果,根据1983年国家经委组织的专家调查组的结 论可知,节约电能约达30%左右。同时根据专家调查组的结论,国家每年发电量的30 用于风机、水泵和交流牵引的异步电动机,如果这些异步电动机都改用变频调速,则每年 全国发电量的9%就节约下来了。 二)电力系统的应用领域 (1)自动化装置,最有代表性的是同步发电机的励磁调节系统。 (2)高压直流输电装置 (3)静止无功补偿装置。 (4)新能源的开发和超导贮能装置。 (5)固态断路器——切换用的电力电子断路器。 上述电力系统用的电力电子装置,除高压直流输电外,目前统称为柔性输电系统 ( Flexible AC Transmission Systemm-FACⅣS),这些电力电子装置实现对交流输电的调节
控制更加可靠、更快和更灵活,大大提高了电力系统运行的可靠性。从这些 FACTS中看 出,电力电子学在电力系统中的应用是全面的。FACⅠS不仅是电力电子器件,它还需要辅 以微型计算机、通信和测量手段,同时软件技术也是不可少的,因为需要快速地、完善地 测知电力网运行条件的变化,并快速计算出应怎样操作、应有多大补偿及其变化等,然后 又要能快速将这些操作信息送到相应设备中去,进行控制调节与操作。 三)工业自动化应用领域 工业电气自动化是电力电子学最活跃最能体现技术水平的领域,也是电力电子学渗透 最深的工业自动化、机器人控制、交通运输和国防现代化等领域中的一个。在工业自动化 方面可以集中到一点的是“电力传动”,即直流电动机、交流永磁电动机和直线电动机调 速的系统。有典型代表性的是交直流伺服系统。它的水平将体现一个国家的机床数控、机 器人控制、国防工业、计算机控制的综合制造系统(CMS)的能力。 (四)各类电源的应用领域 电力电子学的发展,使各类稳压电源从线性放大发展到无工频变压器的各种开关电 源,从而大大提高了电源效率,并且缩小了体积、节省了有色金属材料。大功率的超声源 和交换机用的通信电源,采用电力电子技术后,从原来的宠然大物变为“一个模块”。在 电源领域,当前的发展方向是采用有源功率因数校正技术,使之功率因数为1,并成为对 电网无谐波污染的“绿色”电源,同时采用软开关技术,提高电源的变换效率。 (五)家用电器(包括公共照明)的应用领域 家用电器和公共照明系统的特点是电压比较低(220VAC),功率一般都只有几十瓦 到数百瓦,而又量大、面广。这刚好是电力半导体器件最适应和最便宜的范围,因而促进 了电力电子技术在这一应用领域的发展。从调光台灯到电子镇流器的节能灯,从变频空调 到变频冰箱,无一不是用到电力电子技术,甚至连电视机的电源都要用到电力电子技术。 三、敏学任鲁与求 电力电子学作为电气工程专业本科的一门技术基础课,为培养具有开拓性和创造性的 人才打好基础、拓宽知识面。 通过本课程的学习,要求学生 (1)掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术 (2)掌握典型的电力电子变换器的工作原理:包括变换器本身的换流原理、工作波 形 (3)熟悉和掌握典型电力电子变换器中主要元件的参数选择; (4)熟悉几种典型电力电子变换器的集成调制器的工作原理。 由于电力电子学是一门实践性和适应性很强的课程,要求学生尽量争取参与一切可能 的实验和科研课题等实践环节,以培养动手能力