第1章 电力电子技术绪论2014

电力电子技术基础赵克[e-mail]电气工程系专业平台课2第一章绪论1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展史1.3电力电子技术的应用20世纪人类最伟大的20项科技成果不同程度地应用了电力电子技术--电气化、汽车、飞机、自来水供水系统、电子技术、无线电与电视、农业机械化、计算机、电话、空调与制冷、高速公路、航天、互联网、成像技术、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料31.1什么是电力电子技术■1.1.1电力电子技术的概念◆电力电子技术--应用于电力领域的电子技术。☞电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”，前者则更一般些。☞电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。4从工程的对象和内容及手段几方面理解：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）问题：为什么要对电能进行变换和控制？■1.1.2电力电子技术定义使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。5例1.1：电车（地铁等）用设置在车底下的变流装置控制来自架空线的直流电流，对电动机进行调速。免维护（无电刷）小而轻（高速运转）(a)切换电阻方式直流电源M直流电动机直流电压控制tv改善乘坐舒适感（连续调速）节能（降低电阻损耗）(b)斩波电路方式直流电源M直流电动机直流电压控制tv（斩波电路）半导体开关(c)逆变电路方式直流电源M异步电动机交流频率控制tv频率变换电路（逆变电路）图1.1电车的调速方式6例1.2：自然能发电（太阳能和风能）在采用自然能发电时，必须控制变化的发电功率。太阳光太阳电池电压调节电路蓄电池频率变换电路负载工频电源图1.2太阳能发电能量流程风车交流发电机整流电路蓄电池频率变换电路负载工频电源图1.3风能发电能量流程7■1.1.3电能变换的种类逆变直流斩波交流电力控制变频、调功整流直流交流交流直流输出输入开关型变换器电能输入电能输出控制输入电能变换的含义：在输入与输出之间，将电压、电流、频率（含直流）、相位、相数中的一项以上加以改变。电力变换四大类型问题：如何实现电能变换？8■1.1.4电能变换的基本原理◆变换类型1：AC-DC利用S1～S4的导通与关断的组合，可由交流形成直流。同时，控制开关导通的时间，可控制直流电压大小。图1-4AC-DC电路结构与波形S1S2S3S4负载ottS1S4S2S3S1S4在功率变换电路中，为了尽量提高电能变换的效率，应采用开关型变换器。因为器件只有工作在开关状态，才能降低变换过程中的电能损耗。单方向直流9利用S的导通和关断，控制负载上的直流电压。图1-5DC-DC电路结构与波形负载StDCS通S断S通S断S通平均电压◆变换类型2：DC-DC平均电压改变10利用S1～S4的导通与关断的组合，将负载电压值控制在正负范围。同时，可控制负载上交流电压的频率。图1-6DC-AC电路结构与波形S1S2S3S4负载DCtS1S4S2S3S1S4S2S3S1S4◆变换类型3：DC-AC交变电压11控制S1,S2开关导通的时间，可控制交流电压大小。图1-7AC-AC电路结构与波形负载S1S2tS1S2S1问题：开关型变换器中的开关器件应如何选取？将电能任意地、高效率地变换和控制，应采用开关型变换器。◆变换类型4：AC-AC12■1.1.5.电能变换用的开关器件理想开关应满足的条件（以斩波电路为例）:St通断SEsv电阻负载tS通断ii0offiSI0ont0offttsvSE0onv图1-8斩波电路结构与波形13电能变换电路中理想开关应满足的条件：（1）开关处于关断状态时能承受高的端电压，并且漏泄电流为零（2）开关处于导通状态时能流过大电流，而且这时的端电压为零（3）导通、关断切换时所需开关时间为零（4）长期反复地开关也不损坏（寿命长）开关损耗为零电能变换电路中开关的选择：机械开关：（1）和（2）--yes，（3）和（4）--no半导体开关：较好满足（3）和（4）；基本满足（1）和（2）14t通断tS通断i0offi0ont0offttsv0onvt通断tS通断i0offiSI0ont0offttsvSE0onv理想开关半导体开关结论：使用功率半导体器件，即电力电子器件，作为电力变换电路中开关。所以，电力电子技术定义为：使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术15■1.1.6电力电子器件的种类按照其控制通断的能力分类:不控型、半控型和全控型。1617变流技术（电力电子器件应用技术）是电力电子技术的核心。包括：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。电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础。本课程的重点是变流技术。（1）研究内容包括两大分支：■1.1.7.电力电子技术的特点18电子技术信息电子技术电力电子技术应用于信息处理领域应用于电力变换领域模拟电子技术数字电子技术电力电子器件制造技术变流技术电路控制装置电力电子技术是应用在电力变换领域的电子技术。（2）与电子技术的关系19电力电子技术广泛应用于电气工程中，是电气工程这个学科中最活跃的一个分支。20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的边缘技术学科。（3）学科特点201.2电力电子技术的发展史图1-9电力电子技术的发展史◆一般认为，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。21☞1904年----电子管，开启了电子技术用于电力领域的先河。☞20世纪30年代到50年代----水银整流器，广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。☞1947年----晶体管(贝尔实验室)，引发了电子技术的一场革命。◆晶闸管出现前----史前期或黎明期。22◆晶闸管时代电气性能控制性能水银整流器旋转变流机组取代电力电子技术的概念和基础晶闸管特点半控型器件相控方式应用局限性产生23◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC）☞70年代后期门极可关断晶闸管（GTO）电力双极型晶体管（BJT）电力场效应晶体管（Power-MOSFET）（全控型器件）控制方式脉冲宽度调制（PWM）☞在80年代后期绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）MOS控制晶闸管（MCT）集成门极换流晶闸管（IGCT）24电力电子器件驱动、控制、保护电路电力电子集成技术单片集成技术混合集成技术系统集成技术☞软开关技术开关损耗功率密度☞电力电子集成电路（PIC）25■电力电子技术的应用范围十分广泛一般工业交通运输电力系统通信系统新能源系统家用电器1.3电力电子技术的应用无处不在26◆一般工业中应用☞交直流电动机调速变频调速软起动装置☞电化学工业电解铝电镀冶金工业感应加热淬火电源目的？要求？要求？27图1-10AB变频器28◆交通运输中应用☞电气化铁道直流机车整流装置交流机车变频装置直流斩波器磁悬浮列车☞电动汽车电力变换和驱动控制蓄电池的充电29◆电力系统中应用☞直流输电（长距离大容量输电）送电端的整流阀受电端的逆变阀柔性交流输电☞无功补偿或谐波抑制（电能质量控制）晶闸管控制电抗器（TCR）晶闸管投切电容器（TSC）静止无功发生器（SVG）有源电力滤波器（APF）☞交直流操作电源30图1-11中国南方电网公司安顺换流站图1-12静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）31◆电子装置用电源☞各种电子装置-----直流电源供电。程控交换机-----高频开关电源。微型计算机电源------高频开关电源。☞在大型计算机等场合-----不间断电源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）（典型的电力电子装置）32☞电力电子照明电源------逐步取代白炽灯和日光灯。☞空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。◆家用电器33图1-13风场新能源中应用☞风能、太阳能发电缓冲能量和改善电能质量电力系统联网☞核聚变反应堆大容量的脉冲电源产生强大磁场34据统计70％的电能都是经过变换后才使用，随着科技的发展，电能变换的比例将会进一步提高。电力电子技术是电气工程领域的新学科和迅速发展的朝阳产业。电力电子器件（半导体）技术和微处理器技术的进步极大地推动了电力电子技术的发展。能源是人类永恒的话题，电能是最优质的能源。电力电子技术是电能变换的技术，是把粗电变精电的技术。应用小结35课程结构结束