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电力电子技术PowerElectronics华中科技大学控制科学与工程系自动化研究所周永鹏、徐金榜绪-21什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用4电力电子技术的研究内容5电力电子技术的研究、学习方法6课程内容简介绪论绪-31.1电力电子与信息电子1.2两大分支1.3与其他学科的关系1.4地位和未来1什么是电力电子技术绪-4信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换两者目的不同电子技术一般即指信息电子技术,广义而言,也包括电力电子技术。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电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,即应用于电力领域的电子技术。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。1.1电力电子与信息电子绪-5功率变换电路的特点开关•拓朴结构具有多种选择•结构选择要考虑器件的非理想特征(压降、开关频率、耐压的对称性)•电路的时变、非线性特征使分析变得复杂•不同特性的分析要用不同方法与思路•控制电路的时实性要求很高•本质上要求数字控制,但实现上有许多困难•器件制造水平的发展制约电力电子技术的发展•器件使用水平决定电力电子装置的可靠性高效快速谐波绪-6变流技术(电力电子器件应用技术)用电力电子器件构成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。电力电子技术的核心,理论基础是电路理论。1.2两大分支电力电子器件制造技术电力电子技术的基础,理论基础是半导体物理。绪-7电——交流和直流两种问题:什么是交流电?什么是直流电?从公用电网直接得到的是交流,从蓄电池和干电池得到的是直流。电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1电力变换的种类进行电力变换的技术称为变流技术。逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流输出输入1.2两大分支变流技术绪-8电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现。1974年,美国的W.Newell用图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。图1描述电力电子学的倒三角形1.3与相关学科的关系电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散电力电子变换控制技术绪-9都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同,采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。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。与电子学(信息电子学)的关系1.3与相关学科的关系绪-101.3与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中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、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与电力学(电气工程)的关系绪-11控制理论广泛用于电力电子系统中。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;控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。与控制理论(自动化技术)的关系1.3与相关学科的关系绪-12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。计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子+运动控制肌肉和四肢当今,经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比值,已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一。二十世纪末期,美国发电站生产的电能40%以上都是经过变换和处理后才供负载使用的,预计到21世纪二、三十年代,美国发电站生产的全部电能都将经过变换和处理后供负载使用。1.4地位和未来绪-13历史是人类社会的一面镜子分析过去、现在有助于把握未来科学史是科学家的一面镜子了解一门学科的过去、现在有助于把握未来2电力电子技术的发展史绪-142电力电子技术的发展史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。1957年晶闸管出现后,由于其优越的电气性能和控制性能,很快取代水银整流器和旋转变流机组,应用范围迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业、电力工业的迅速发展也有力的推动了晶闸管的进步。但晶闸管是半控型器件,它的应用受到限制。对它的控制主要方式是相位控制方式。70年代后,门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶闸管(BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOSFET)全控型器件迅速发展。它们的性能高于晶闸管,主要控制方式是脉冲宽度调制(PWM)方式。绪-152电力电子技术的发展史80年代后期,绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)等复合型器件出现。IGBT是MOSFET和BJT的复合,它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身,性能十分优越,成为现代电力电子技术的主导器件。将驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起的功率集成电路(PIC)是目前电力电子技术发展的一个重要方向。绪-16晶闸管问世,(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银(汞弧)整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期(黎明期)19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生2电力电子技术的发展史绪-17半控型器件全控型器件复合型器件功率集成电路相位控制PWM控制软开关技术器件的发展控制技术的发展2电力电子技术的发展史绪-18一般工业:交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输:电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统:高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿、有源滤波电子装置电源:为信息电子装置提供动力家用电器:“节能灯”、变频空调其他:UPS、航天飞行器、新能源、发电装置3电力电子技术的应用绪-19轧钢机数控机床冶金工业电解铝1)一般工业3电力电子技术的应用绪-202)交通运输3电力电子技术的应用绪-213)电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS3电力电子技术的应用绪-224)电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机3电力电子技术的应用绪-235)家用电器3电力电子技术的应用绪-246)其他大型计算机的UPS航天技术新型能源3电力电子技术的应用绪-25总之,电力电子技术的应用范围十分广泛,激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源,因此可以说,电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速,在使用量十分庞大的照明电源等方面,因此它也被称为是节能技术。3电力电子技术的应用绪-26264电力电子技术的研究内容绪-27课程内容简介《电力电子技术》教材结构第二部分全书的主体第一部分全书的基础第三部分全书的深入第1章电力电子器件第2章整流电路第6章PWM控制技术第5章逆变电路第4章交流控制电路和交交变频电路第3章直流斩波电路第7章软开关技术第8章组合变流电路绪-2828从技术层看电力电子的研究内容从技术层面来看电路结构研究控制技术研究电磁兼容研究装置与系统研究绪-29研究的内容研究的角度电路结构研究如何实现希望的电能变换如何提高变换器的性能如何提高变换的效率如何提高变换的功率各种电力电子器件的应用和连接结构多种电路方案的性能比较研究软开关、新结构器件串、并联电路串、并联多相多重多电平绪-30研究的角度研究的内容控制技术研究如何产生电路所希望的控制信号如何提高变换器的性能如何提高变换的效率如何实现智能化模拟PWM信号数字PWM信号模型的建立静态指标、动态指标、稳定性分析与校正新的PWM信号数字化、网络化绪-31研究的内容研究的角度电磁兼容研究如何减小干扰源滤波、屏蔽、布线、布局如何减小耦合途径敏感对象对干扰的敏感度是多少缓冲、吸收开关电路产生电磁干扰的机理软开关噪声和电磁波对设备和生物影响研究绪-32研究的内容研究的角度装置与系统系统的最优结构与协调运行故障监测与诊断经济性、可靠性新的应用领域新的设计与制造思路和技术冗余集成模块化复杂系统问题其他问题如何用现有电路组合或设计新的电路以适应新领域的应用要求功率因数校正绪-3333从应用面看电力电子的研究内容从应用层面来看开关型电力电子电源开关型电力电子补偿控制器绪-34开关型电力电子电源电力系统中的远距离直流输电脉冲功率、回旋加速器、超导磁体、激光、磁悬浮等特种设备用电源通讯、计算机、控制领域中的各种直流和交流电源冶金领域中的感应加热电源牵引、驱动、推进等电机用电源化工领域中的电解电镀电源材料领域中的焊接电源绪-35开关型电力电子补偿控制器节点电压控制器瞬变电压抑制器谐波电压、电流补偿器有功功率补偿器无功功率补偿器阻抗补偿控制器绪-36365电力电子技术的研究、学习方法绪-3737层次法对一个具体电路研究要分层次进行电路的全部特性主电路特性控制电路特性一个开关过程一个基波周期数个基波周期绪-3838主电路研究一个开关过程一个基波周期主电路的研究缓冲、软开关、开关损耗分析基波、谐波计算绪-3939控制电路研究一个基波周期数个基波周期控制电路的研究建立各个开关状态的的状态空间模型动态特性、静态特性、稳定性分析建立基波状态空间平均模型,谐波处理为扰动绪-4040合理的简化在概念清晰的前提下,恰当的运用合理的假定,可以使分析变得更简单。电路控制特性分析时可忽略谐波或把谐波看成扰动一个基波周期的分析时常常忽略开关过程一个开关过程的研究常常把电源或负载看成恒定电压源或恒定电流源绪-4141厚积薄发电力电子技术是一门实践性、应用性很强的学科,没有一定时间的有效积累,就无法成为本学科的高水平人才。绪-42电力电子技术课程的相关知识复习基本的电路理论知识前续课程:“电路”、“电子技术”学会分析系统运行过程中,单个开关周期内电压、电流的变化结合仿真手段学习结合实验相关课程:“电机拖动”,后续课程:“运动控制系统”绪-43参考书1.王兆安,黄俊.电力电子技术(第四版/第五版).北京:机械工业出版社,2000、20092.林渭勋.现代电力电子技术.北京:机械工业出版社,20063.陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术.北京:高等教育出版社,2004(第二版)4.徐德鸿,马皓.电力电子技术.北京:科学出版社,20065.JaiP.Agrawal,PowerElectronicSystem,TheoryandDesign,Prentice-Hall,Inc.20026.MunhammadH.Rashid,PowerElectronics.北京:人民邮电出版社,200743绪-4444自动化研究所相关介绍研究方向介绍师资力量介绍绪-4545小结电力电子已成为世界范围内的一个基础工业技术,电力电子应用范围和程度已经成为衡量一个国家技术水平的标志之一,我国电力电子技术的人才培养水平严重滞后需求,成为制约我国电力电子技术发展的瓶颈之一。许多国外电力电子专业的学者和专家都预言二十一世纪电力电子技术的中心将移往中国,我们必须更加努力才能使这一预言真正实现。
本文标题:电力电子技术-1.1绪论
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