电力电子技术(含实验)第1章_绪论

绪论课程的目的和任务了解电力电子技术的发展概况，熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及初步实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标。课程的基本要求1.熟悉和掌握晶闸管SCR、电力MOSFET、IGBT、IGCT等电力电子器件的结构、原理、特性和使用方法；2.熟悉和掌握各种基本的整流电路、直直变换电路、交交变换电路和逆变电路的结构、工作原理、波形分析、电路计算和控制方法。3.掌握PWM技术的工作原理和控制特性。1.电力电子技术王兆安，刘进军主编，机械工业出版社第5版，2009年2现代电力电子电路，林谓勋主编，浙江大学出版社，2002年3.电力电子技术习题集，李先允等编，中国电力出版社，2007年4.电力电子技术—典型题解析及自测试题，吴小华等编，西北工业大学出版社，20025.电路分析、设计软件：Pspice、Matlab、Saber课程的辅导参考书籍本章内容１-1电力电子技术概述1-2电力电子技术的发展史1-3电力电子技术的应用1-4课程内容简介1-1电力电子技术概述电力电子技术（powerelectronics）：指利用电力电子器件对电能进行变换和控制，把从电网获取的“粗电”变换成负载所需要的“精电”的技术。电子技术包括：信息电子技术和电力电子技术。信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术。电力电子技术主要用于电力变换，而信息电子技术主要用于信息处理。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。电力电子技术实际上是一门交叉学科，1974年，美国的W.E.Newell用图1-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。电力电子技术电子学电力学控制理论连续、离散电路、器件静止器、旋转电机图1-1描述电力电子学的倒三角形电力电子技术可以认为是电力学（power)、电子学（electronics)、和控制（control)技术完全融合的交叉学科。其理论涉及材料科学、控制理论、计算机科学等。电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带；电力电子技术是电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力。电力电子技术与信息电子技术的区别：许多分析方法一致，仅应用目的不同；广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路；电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路；器件的工作状态：信息电子，既可处于放大状态，也可工作在开关状态；电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态。1.电力变换的基本类型图1-2电力变换的基本类型电力变换类型直流负载交流负载恒定或可调直流电恒频恒压或变频变压交流电交流电源AC1.整流器4.交流斩波5.变频器ACDCAC直流电源3.逆变器2.直流斩波DCDCDCAC2.电力电子系统的基本结构电力变换主电路电力变换控制电路信号检测电路功率半导体驱动电路输入电能输出电能反馈信号控制信号图1-3电力电子系统的基本结构电力变换主电路：由电力电子器件、二极管、电容、感性元件组成的强电电路，不同的电能变换有不同的电路形式（电路拓扑），主要是通过对电力电子器件的开关控制完成电能形式的变换；电力变换控制电路：主要由集成电路及其外围元件组成的弱电电路，主要是将来自检测电路的反馈信号按照电能形式变换的要求，运用相应的控制规则和算法进行处理，产生电力电子器件的开关控制信号，以完成电能的正确变换。信号检测电路：按照控制目标的要求，将电力变换电路的输入输出电压电流信号或者电路内部的状态信号转换成控制电路可以接收和处理的信号。功率半导体驱动电路：将控制信号转换成符合电力电子器件导通和关断控制的有效信号。3.电力电子技术的研究分支及特点研究分支:电力电子器件（element)技术、变流技术(powerconversion)和控制技术（Control)三个分支。特点:电力电子器件是整个电力电子技术的基础，电力电子技术的发展集中体现在电力电子器件的发展上，器件一般均工作在开关状态，这是重要特征；变流技术是电力电子技术的主体，控制技术是电力电力电子技术的灵魂；电力电子技术和运动控制一起，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,是把粗电变为精电的技术,能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展1-2电力电子技术的发展轨迹以1958年美国通用电气公司（GE)第一只晶闸管的诞生为标志，标志电力电子技术的诞生。史前期（1957年以前）：晶闸管时代（1958～70年代）：全控型器件时代（70年代后期）：复合器件时代（80年代后期）：电力电子技术的发展前景电力电子技术的发展史以电力电子器件的发展史为纲晶闸管问世，(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151.电力电子技术史前期晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在；1904年出现了电子管（Valve）开启电子技术之先河；水银整流器（mercury-vapourthyratrons）；各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用；电动机—直流发电机组(旋转变流机组)；最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。２.晶闸管时代晶闸管SCR(SiliconControlledRectifier)可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。晶闸管因其电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。３.全控型器件时代以GTO门极可关断晶闸管、BJT(GTR)电力双极型晶体管、Power-MOSFET（电力场效应管）为代表：这些器件可以通过门极（或栅极、基极）控制开通和关断。同时，这些器件可以达到的开关频率均较高。这些器件大大推进了电力电子技术的发展。和SCR电路的相位控制方式相对应，全控型器件电路常使用脉冲宽度调制（PWMPulseWidthModulation）方式进行控制。４.复合型器件时代以绝缘栅极双极型晶体管IGBT（Insulated-GateBipolarTransistor）为代表：IGBT＝MOSFET＋BJT它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），代表了电力电子技术发展的一个重要方向，典型器件为IPM。５.电力电子技术的发展前景电力电子器件发展的目标是：高频率、大容量、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化、绿色化。新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术：通过谐振电路使得器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）的状态下进行开关。电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。①分立器件②模块电力电子器件④IGBT模块③IGBT单管电力电子器件的发展趋势高频化：提高开关频率，降低设备体积，节约资源模块化：功率部分、控制、驱动、保护集成一体数字化：数字控制技术广泛应用绿色化：谐波污染小、功率因数高、电磁辐射小1-3电力电子技术应用电力电子技术广泛用于一般工业、交通运输、电力系统、不间断电源和开关电源、家用电器、以及新能源的开发及应用领域。在解决全球能源危机、资源危机和环境污染方面发挥着重要作用。经过至少一次电力电子装置处理以后使用的电能所占比例已经成为一个国家经济发展水平的重要指标。１.一般工业直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置；近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位；电化学工业大量使用直流电源，如电解铝、电解食盐水等。冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合，需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。２.交通运输电力机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制；飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术；如果把电梯也算做交通运输工具，那么它也需要电力电子技术。３.电力系统电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。最终用户在使用电能时常常需要进行预处理。如降压、滤波、无功补偿等。直流输电（HVDC)在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流站和受电端的逆变站都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）可以大幅度提高电网输电能力和稳定性。有源滤波器（APFActivePowerFilter)可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。４.电子装置用电源５.家用电器照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯。变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。６.新能源的开发和利用传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中风力发电、太阳能发电的发展较快。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。*电力电子技术应用范围发展迅速*电力电子研究的是电源技术*电力电子技术称为节能技术应用总结如下:1-4课程内容简介•第一部分：电力电子器件的原理与基础•第2、8章(全书的基础)–主要介绍各种电力电子器件的基本结构、工作原理、主要参数、应用特性，以及驱动、缓冲、保护、串并联等器件应用的共性问题和基础性问题；–在各种器件中，晶闸管SCR、电力MOSFET、IGBT、IGCT应用最为广泛。•第二部分：各种电力电子电路的分析、计算和基本实验•（第3、4、5、6、第7章前半部分）•掌握常见电力变换的电路的基本原理、波形分析和各种负载对电路工作的影响分析和初步设计、计算。•在内容的介绍中，突出共同的分析方法对理解电路的工作原理十分有益，例如，电力电子电路是非线性的，但当电路中各开关器件通断状态完成后，又可按线性电路来分析。这一基本分析