电力电子技术-世界大学城

电力电子技术杨立波机电工程系自动化教研室Name:杨立波怎样找到我？Address:机电工程系自动化教研室Tel.:13418273344E_mail:[e-mail]:683344参考教材主要参考书：电力电子技术机械工业出版社黄家善主编参考书：1、电力电子技术机械工业出版社王兆安主编2、电力电子学高等教育出版社陈坚编著3、Agrawal，PowerElectronicSystems-Theoryanddesign，2nd,ed.PrenticeHall,2001(电力电子系统-理论和设计，清华大学出版社引进）相关学术组织及期刊网站：1）IEEE-电气与电子工程师协会（美国）期刊：IEEE学报网站：2）IEE-电气工程师协会（英国）期刊：IEE电力应用学报网站：3）J.IEE-日本电气学会4）中国电工技术学会5）中国电机工程学会6）中国电源学会7）电气自动化、电气传动自动化、电工电能新技术与本课程相关的问题课程名称：电力电子技术（PowerElectronicTechnology）学时：90学时，课程性质：必修的专业基础课与相关课程的关系：先修课程：高等数学、电路原理、模拟电子技术、数字电子技术后续课程：交流调速、毕业设计。成绩考核：本课程为考试课，其成绩主要由以下几部分构成：平时成绩：占40%（主要指听课的纪律、出勤)作业（不得抄袭））期末考试：占60%（闭卷笔试）第1章绪论1.什么是电力电子技术2.电力电子技术的发展史3.电力电子技术的应用4.本课程的学习方法和具体要求5.电力电子电路的计算机仿真软件1什么是电力电子技术？（1）定义：有几种不同的说法将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学（PowerElectronics）或称为电力电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是一门利用电力电子器件、电路理论和控制技术对电能进行处理、控制和变换的学科，是现代电子学的一个重要分支，也是电工技术的分支之一。国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的定义：有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。王兆安编著的教材的定义：就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。从工程的对象和内容及手段几方面理解电力电子技术。对象：能量中的电能内容：对电能的变换和控制手段：利用电力电子器件（半导体器件）（2）与其他学科之间的关系：电力电子技术是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科，包括电力电子器件、电力电子电路(变流电路)和控制技术三个主要组成部分。可用下图形象地描述电力电子技术这一学科的构成及与其他学科的关系。电力电子学的名称是在上世纪60年代出现的，在1974年，美国的W·Newell用这个倒三角形对电力电子学进行了描述，认为：电力电子学是由电力技术、电子技术和控制技术三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。①与电子技术的关系：模拟电子技术信息电子技术电子技术数字电子技术电力电子技术信息电子技术——主要用于信息处理；电力电子技术——主要用于电力变换和控制。电子技术一般是指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。这里指的就是信息电子技术。电力电子技术与信息电子技术的关系：电力电子技术与信息电子技术的关系：A都分为器件和应用两大分支；B器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子制造技术，二者同根同源；C应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同；Ｄ工作状态不同：信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。Ｅ应用目的不同：信息电子技术用于信息处理，电力电子技术用于电力变换和控制。②与电力技术（电气工程）的关系：Ａ电力电子技术广泛用于电气工程中，如：高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、电镀、电加热、高性能交直流电源等。Ｂ国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支；Ｃ电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。③与控制技术（自动化技术）的关系：Ａ控制技术广泛用于电力电子技术中；Ｂ电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口，控制技术是这种接口的强有力的纽带；Ｃ电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。结论：电力电子技术包括电力电子器件、电力电子线路和控制技术三个部分。（３）电力电子技术的研究任务：①电力电子器件的应用；②电力电子电路的电能变换原理；③控制技术以及电力电子装置的开发与应用。（４）电力电子技术的地位和未来：以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，而电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。电力电子技术是电能变换技术，是把电网或其他电源提供的“粗电”变成适合于使用的“精电”的技术。而能源是人类社会的永恒话题，电能又是最优质的能源。因此，电力电子技术将青春永驻。电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，在21世纪仍将以迅猛的速度发展，并将起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。2电力电子技术的发展电力电子技术的两大分支：电力电子器件制造技术：是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，其理论基础是半导体物理。电力电子器件应用技术（也称变流技术）：是用电力电子器件构成的电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。它是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理论。电力电子技术（1）电力电子器件的发展：其发展过程也就是电力电子技术的发展过程。1904年：电子管问世；之后出现了汞弧整流器。汞弧整流器：把水银封于真空管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行控制，其性能和晶闸管很相似。30年代～50年代：是汞弧整流器发展迅速并大量应用的时期。1947年：美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。1956年：美国研制出了最先用于电力领域的半导体器件——硅整流二极管（SR）。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。1957年：美国通用电气公司发明了晶闸管（SCR），（即普通反向阻断型可控硅）。它标志着电力电子技术的诞生。但在此之前，用于电力变换的电子技术就已经存在了，把晶闸管出现前的时期称为史前期或黎明期。到了70年代：晶闸管形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。从70年代开始，在其后的30年时间里，相继出现了一系列晶闸管的派生器件：不对称晶闸管（ASCR）逆导晶闸管（RCT）双向晶闸管（TRIAC）光控晶闸管（LASCR）晶闸管派生器件快速晶闸管（FST）高频晶闸管可关断晶闸管（GTO）集成门极换流晶闸管（IGCT）MOS栅控晶闸管（MCT）在晶体管问世20多年后，用于电力变换的功率晶体管（GTR）才进入到工业应用领域，到了80、90年代，GTR广泛应用于小功率的电路中。在70年代后期，功率场效应晶体管（MOSFET）开始进入实用阶段，80年代取得了很大的进展。在80年代后期，又出现了绝缘栅双极型晶体管（IGBT），它集MOSFET、GTR、GTO（可关断晶闸管）的优点于一身，在大容量、高频率的电力电子电路中表现出非凡的性能。多年来，为了提高电力电子装置的功率密度以减小体积，把多个大功率器件组成的各种单元与驱动、保护电路集成一体，构成了功率集成电路（PIC）。随着微电子技术的发展，在80年代又诞生了智能功率模块（IPM），它将具有驱动、保护、诊断功能的IC与电力半导体器件集成在一个模块中，并可用于10～100kW功率等级的电力电子系统中。晶闸管问世，(公元元年)IGBT出现功率集成器件晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生上述的发展过程可用下图来表示：上述发展过程中的电力电子器件可分为三代：第一代电力电子器件:硅整流管和晶闸管(SCR)第二代电力电子器件:电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场控晶体管(功率MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、MOS控制晶闸管(MCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。第三代电力电子器件：高频化、标准模块化、集成化和智能化。功率集成电路(PIC)分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类。由上可知：电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子技术，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子技术方向发展。所以电力电子技术的发展主要分为两个阶段：1）传统电力电子技术：时间：1957年～1980年。典型产品：晶闸管及其派生器件。两个分支：①微电子学——以晶体管集成电路为核心形成的对信息的处理技术。特点：集成度越来越高，规模越来越大，功能越来越全。②电力电子技术——以晶闸管为核心形成的对电力的处理技术。特点：晶闸管的派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。典型电路：不可控整流电路、相控整流电路、逆变电路以及交流变换电路。2）现代电力电子技术：时间：1980年～现在。典型产品：功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。特点：集成化、高压、大电流；高频化：GTO（可关断晶闸管）1～2kHz，电力二极管2～5kHz，MOSFET数百kHz。全控化：避免了传统器件关断时所需要的强迫换流电路。电路弱电化，控制技术数字化。多功能化：传统的，只有开关功能，多用于整流；现代的，不但有开关功能，还可以放大、调制、振荡、逻辑运算等。关于电力电子器件的分类：不可控器件：硅整流管（SR）半可控器件：只能通过门极电压控制其开通不能控制其关断。1）按控制特性分类代表器件是晶闸管（SCR）全控型器件：通过对门极（基极或栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。其代表器件是GTO（可关断晶闸管）和IGBT（绝缘栅双极晶体管）2）按控制模式分类：电流型控制模式器件电压型控制模式器件。工频器件3）按工作频率分类中频器件高频器件分立器件：功率集成模块：由驱动、控制、传感、保护、逻辑电路等集成在一4）按器件结构分类起构成的。复杂模块：将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合。（2）电力电子电路及其控制技术的相关概念：1）电力电子电路的概念：电力电子电路的根本任务是实现电能变换和控制。能够完成电能变换和控制的电路称为电力电子电路。2）电力电子电路的基本形式：有四种①直流变换电路：将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路。也称开关型DC/DC变换电路或称直流斩波器。②逆变电路：将直流电能变换为交流电能的电路。也称为DC/AC变换电路。逆变器：指完成逆变的电力电子装置。有源逆变：将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网中去。无源逆变：将逆变电路的交流侧直接接到负载上，把直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。③整流电路：将交流电能转换为直流电能的电路。也称AC/DC变换电路。整流器：完成整流任务的电力电子装置。逆变电路④交流变换电路：把交流电能的参数（幅值、频率）加以转换的电路。也称为AC/AC变换电路。根据变换参数的不同，交流变换电路可分为：交流调压电路——是维持频率不变，仅改变输出电压的幅值。交—交变频电路——也称直接变频电路（或周波变流器），是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电的变换电路。上述四种变换可用下图表示：~~ACDC整流（）DCAC逆变（）调压(AC－AC)斩波(DC－DC)将交流电能转换为直流电能的电路，称为整流电路。