浅谈电力电子技术应用

宁波工程学院学年论文

宁波工程学院

学年论文

论文题目：浅谈电力电子技术的应用

学院名称：电子与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化092班 学生姓名：商家骐学号：09401170217 指导教师：孔中华

起讫时间：2011年10月10日至2011年12月30日

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浅谈电力电子技术的应用

商家骐

( 宁波工程学院电子与信息工程学院浙江宁波 315016)

Concerning the application of the power electronic technology

SHANG Jiaqi

(School of Electron and Information Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016 , China)

摘 要：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。[1]

Abstract:Power electronic technology is based on the electronics, electrical principle and automatic control three subjects of the new

study. Because it is itself a high-power electric technology, and are mostly for the application of high voltage of the service industry, reason often will it belongs to an electrician class. The main content of the power electronic technology including power electronic devices, power electronic circuits and power electronic device and its system. Power electronics device with semiconductor materials for basic, the most commonly used material for monocrystalline silicon; Its theoretical basis for semiconductor physics; Its technology for semiconductor devices process.

引言：

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大的电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅是因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。[2]

一． 电力电子技术在工业方面的应用

随着电力电子技术的逐渐成熟，工业上各种对电器件的控制已经离不开电力电子技术了。现代工厂引进的设备种类繁多，每种设备対电的幅值频率要求都不会一样因此要求工厂具备繁多复杂的输电能力，配电能力和变频能力。下面举几个实用例子来阐述：

1.1 发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电率平均为8％，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65％，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品，但具备高压大容量变压器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。

图1 西门子风机水泵专用变频器

Fig.1 Siemens fan pump inverter

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1.2输电环节的电力电子技术

1.2.1．直流输电(HVDC)和轻型直流输电(HVDCLight)技术

电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。目前，全球已建成的直流输电工程超过60项，其中具有代表性的工程有： ·巴西伊泰普直流输电工程(Itaipu HVDCtransmission project)，世界上已建成投运的输电电 压最高(±750kV)、输送功率最大(6000MW)的直流输电工程。

图2 巴西伊泰普直流输电工程

Fig.2 Brazil YiTaiPu HVDC project

·魁北克一新英格兰直流输电工程(Quebec--New England HVDC transmission project)，世界上最大的多端(5个换流站)直流输电工程。

图3 魁北克—英格兰五端直流输电工程接地极接线方式

Fig. 3 Quebec five England the dc transmission engineering grounding electrodes connection mode

1.2.2．柔性交流输电(FACTS)技术

FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。

图4 输电线路

Fig.4 transmission lines

1.3PWM对直流电机的控制

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脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator、简称PWM、由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM调速器已经在:工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用 直流调速器HW-A-1020型(DC12v24v电压通用型)调速器、工作原理:是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化、从而改变负载、灯光亮度/电机速度。利用脉宽调制(PWM)方式、实现调光/调速、它的优点是电源的能量功率、能得到充分利用、电路的效率高。例如：当输出为50%的方波时，脉宽调制(PWM)电路输出能量功率也为50%，即几乎所有的能量都转换给负载。而采用常见的电阻降压调速时，要使负载获得电源最大50%的功率，电源必须提供71%以上的输出功率，这其中21%消耗在电阻的压降及热耗上。大部分能量在电阻上被消耗掉了、剩下才是输出的能量、转换效率非常低。此外HW-A-1020型调速因其采用开关方式热耗几乎不存在、HW-A-1020型调速在低速时扭矩非常大、因为调速器带有自动跟踪PWM、另外采用脉宽调制(PWM)方式、可以使负载在工作时得到几乎满电源电压、这样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩率。

图5 调速器

Fig 5 governor

二． 电力电子技术在民用中的应用

电力电子技术在工业上的应用繁多复杂，但在民用领域也有很大的价值。比如电脑的使用电子钟表的使用，汽车数控系统，音响系统等等都有电力电子技术的应用。可见电力电子技术已经深入了人民的生活，并扮演着重要的角色。下面从几个实例来阐述：

2.1汽车电力电子技术推动电动汽车的发展

汽车电力电子技术是各类电动汽车深入发展的技术理论基础。基于汽车电力电子技术的最新成就，通过电力传动系统的交流化、高压化和对电力系统的精确控制，以及非混合动力系统的轻量化[包括采用超轻钢制车身（ULSAB-AVC）技术]、线控系统（X-by wire）等诸多技术，使各类电动汽车近年来获得飞速发展。

以丰田公司生产的混合动力汽车为例，2000年5月推出的改进型（NHW11）普锐斯（Prius）牌混合动力汽车，与1997年最初的NHW10型车相比，与混合动力系统相关的零部件减轻125kg；随后，以汽车电力电子技术理论为指导，开发出所谓THSⅡ技术，使2003年9月面世的第二代普锐斯NHW20型车的整备质量再降125kg。从而与传统的同一等级、同一车长的普通汽油车的整备质量（平均为1260kg）处于同一水平。第二代普锐斯车的与混合动力系统相关的总成和零部件质量比第一代车减少48kg，其中蓄电池组的质量由76kg减至42kg；电动机和变速驱动桥由50kg减至40kg，并且电力传动系统的效率更高，与汽车的各种行驶工况更加匹配，节油效果和排放再创佳绩。

普锐斯混合动力汽车目前受到各国普遍欢迎，2004年向世界各国出口125472辆，其中单是向美国的出口量就达到53991辆，2005年前7个月向美国的出口量就已达到61042辆。在普锐斯混合动力汽车成功的基础上，丰田公司又开发出多种混合动力汽车：如克鲁格（Kluger）牌SUV车、哈里尔（Harrier）牌SUV车和采用THS-C（Toyota Hybrid System-CVT）技术的阿尔法（Alpha）牌MPV车以及戴娜（Dyna）牌柴油机混合动

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力载货汽车。本田公司则依据汽车电力电子技术，开发出IMA技术（属于中等混合动力Medium Hybrid）用于因塞特（Insight）、思域（Civic）、雅阁（Accord）3种牌号的轿车上。

2005年三菱汽车公司、庆应义塾大学更是基于汽车电力电子技术分别开发出锂离子蓄电池电动轮轿车——第二代纯电动汽车。 一些学者、大型电机和汽车制造厂商预言：正像铁路上的蒸汽机车、内燃机车相继被电力机车取代一样，

[3]

电动汽车将于2010年前后逐步取代已存在100余年的内燃机汽车。

图6 Prius汽车

图7 prius thsii可变压系统电路结构图

Fig.7Variable pressure system circuit structure

2.2电力电子技术在灯具中的应用

2.2.1直管荧光灯

因直管荧光灯具有光色好、光效高、寿命长、使用方便等特点，使得其成为家庭、办公室的理想光源。直管荧光灯相比普通白炽灯而言，具有更高的电能利用率。国家经贸委和轻工部以将T8荧光灯列入到了我国的“十一五”计划里，成为我国绿色照明系统上程计划的重要部分。 2.2.2紧凑型荧光灯

紧凑型荧光灯的类型有“u”型、“H”型、“D”型、环形等，主要适用于家庭住宅、宾馆酒店等场所，代替了普通白炽灯的使用。紧凑型荧光灯的实用性早已引起了人们广泛的关注。虽其照明的显色指数为80左右，但对于一般的照明，完全可以满足需要。与白炽灯相比，它能够减少65％以上的费用，每瓦产生的光通量达到了普通白炽灯的3倍以上，而且其额定寿命是白炽灯的lO倍。正因为紧凑犁荧光灯具有光效高、寿命长、安装方便灯特点，使得其成为取代普通白炽灯的主要光源。 2.2.3半导体发光二极管

光电子技术是一项新的技术革命，它是用半导体技术制造出固体发光器件，并以此代替传统的普通白炽灯

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成为新的照明光源。它的最重要标准便是半导体发光二极管。目前。半导体发光二极管发展迅速。其主要特点是光利用率高、寿命长、显色性强、电能消耗低等，广泛运用于交通信号灯、建筑夜景照明、广告照明等方面，具有广阔的发展空间和发展前景。我国早于2003年启动了。半导体照明工程”，该工程以发展半导体发光二极管产业为目标。

图8LED照明电路图

Fig 8 LED lighting circuit diagram

2.2.4卤化物灯和高压钠灯

卤化物灯的主要特点是光效高、寿命长、显色性好，正因如此，它被广泛运用于显色性要求较高的厂房。高压钠灯具有使用时间长，价格便宜等特点，而其显色性较差，因此，对于辨色要求不高的场所，例如仓库、、炼铁车间，具有很好的适用性。并且，卤化物灯和高压钠灯还具有另外一个优势，就是有利于提高输出光的

[4]

光能利用率。

三． 电力电子技术的未来发展方向和前景

电力电子技术已经进入各个领域，未来的广阔前景和发展方向，主要体现在下面几个方面：(1)新材料的进一步研究和应用，扩大了器件的频率、功率等级、使用温度范围，减少器件的体积和降低价格。因此，可以大大改进系统性能和降低成本，使它的应用范围越来越广。(2)改进器件和装置封装形式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。(3)使用无需吸收电路并且关断延时小的集成门极换流晶闸管，使得在大功率应用场合的器件选择越来越容易。(4)多电平逆变器在大功率逆变器中的应用。(5)体积小,重量轻，损耗小、无功率的全半导体变流系统的设计。(6)采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器控制的传动系统。采用专家系统获得优化的实时性和系统容错性控制。(7)自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。(8)改善动力系统供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛运用。(9)高效、轻便、绿色的电动车供不应求。发展更高效的家用电器产品。

[2]

图9 高压输电

Fig. 9 high-voltage transmission

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四．结语

电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员

[1]

学习研究电力电子技术并使其飞速发展。

参考文献

［1］王兆安，黄俊. 西安交通大学 电力电子技术第４版[M] 机械工业出版社

［2］冯少辉.浅谈电力电子技术的应用与发展[J] 作者单位:河北建投生物发电有限责任公司,石家庄,050051刊名：科技资讯 英文刊名： SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： 2010(24) ［3］康龙云 .汽车电力电子技术[D]

［4］涂煜金,刘种.浅谈电力电子技术在绿色照明中的应用[D](长沙理工大学湖南长沙410076) V裂AL蹴LElY ［5］徐德鸿，马皓．电力电子技术[M]．科学出版社，2006

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学年论文成绩评定表

论文题目 作 者 指 导 教 师 评 语

指导教师签字 等级 8

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