电力电子技术第1章 绪论.ppt

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1、2019/9/22,1,welcome,2019/9/22,2,电力电子技术Power Electronics,四川大学电气信息学院The School of Electric and Electronic InformationSichuan University赵莉华Zhao LihuaEmail:,2019/9/22,3,Introduction,2019/9/22,4,Definition应用半导体器件对电能进行变换和控制的技术。Power electronics is the electronics applied to conversion and control of elect

2、ric power using semiconductor device.,what is power electronics？,2019/9/22,5,通过半导体器件把“粗电”加工成“精电”的技术；弱电控制强电的技术，弱电和强电之间的接口；电力电子技术所变换的“电力”范围： 1瓦以下或数瓦到数百MW，甚至GW。,what is power electronics？,2019/9/22,6,Relation with information electronics,Power electronics and information electronics,模拟电子技术,电子技术,信息电子技术,

3、电力电子技术,数字电子技术,2019/9/22,7,Power electronics and information electronics信息电子技术信息处理(to process information)电力电子技术电力变换(to process electric power)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。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（power semiconductor device)。,Relation with information ele

4、ctronics,2019/9/22,8,电力电子技术组成 component 电力电子元器件(device)： 基础。 电力电子变流技术：又叫变流电路或电力电 conversion 子应用技术，主体，包 括用电力电子器件构成 各种电力变换电路。 控制技术：实现变流功能的弱电控制手段。 control,what is power electronics？,2019/9/22,9,Two types of electric power DC (direct current) AC (alternating current) 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。进行电力变换

5、的技术称为变流技术。Changeable properties in two types of electric power conversion。 DC - magnitude AC - frequency,magnitude, number of phases,变流技术conversion,2019/9/22,10,电力变换器的种类,整流AC to DC converter(Rectifier),直流斩波DC to DC converter(Chopper),Classification of power converters,输入input,输出output,2019/9/22,11,交

6、流变直流 AC-DC-整流(Rectifier) 直流电机驱动，可调直流电源，高压直流输电。直流变交流 DC-AC-逆变（Inverter） 宇航电源，不停电电源，调频交流电机驱动， 感应加热电源。交流变交流 AC-AC 调光器，交流电机驱动，电压调节器，VAR调 节器，固态继电器。直流变直流 DC-DC-斩波(Chopper) 电动车，高性能可调电源，直流电机驱动。,Classification of power converters,2019/9/22,12,电力电子学：同电力电子技术含义一样，分别从学术和工程技术两个角度称呼。1974年，美国的W. Newell用下图的倒三角形对电力电子

7、学进行了描述，被全世界普遍接受。,描述电力电子技术的倒三角形,Electronics: Devices,CircuitsPower: Static &rotating power equipmentControl: Continuous,DiscretePower Eletronics is the interface between electronics and power。,2019/9/22,13,使用大功率电子器件对电能进行变换和控制。 F频率 A幅值 m相数,变换器,电力电子技术的研究范畴,2019/9/22,14,Relation with multiple discipline

8、s,Power Electronics,Systems & Control theory,Circuit theory,Signal processing,Simulation & Computing,Electronics,Solid statephysics,Electromagnetics,Power Systems,Eletric Machines,Power electronics is currently the most active discipline in electric power engineering.,2019/9/22,15,二者都有器件制造和电路部分；器件制造

9、的基础都是半导体物理和微电子技术，工艺接近；理论基础均为电路理论；电子装置用于信号处理，其中功率放大环节和功率输出也可看作电力电子装置；在电力电子技术中器件工作在开关状态，信息电子技术中器件既可工作于放大状态也可工作于开关状态；电子技术对信息进行处理和变换，电力电子技术变换电力，处理能量。,Relation with Electronics,2019/9/22,16,控制理论广泛应用于电力装置和系统中；电力电子技术是弱电控制强电的技术，控制理论是弱电控制强电的纽带；电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。,电力电子广泛应用于电气工程。,Relation with Control th

10、eory,Relation with Power,2019/9/22,17,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。 一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。,地位和未来Position and Future,2019/9/22,18,Electric power is used in almost every part and everywhere o

11、f modern human society.Electric power is the major form of energy source used in modern human society.The objective of power electronics is right on how to use electric power, and how to use it effectively and efficiently, and how to improve the quality and utilization of electric power.Power electr

12、onics and information electronics make two poles of modern technology and human society: information electronics is the brain,and power electronics is the muscle.,Position and significance in the human society,2019/9/22,19,器件、变流拓扑、控制技术是电力电子技术的三大支柱。 晶闸管的出现导致了电力电子技术的诞生（1957年，美国通用公司）。 全控型大功率器件是现代电力电子技术

13、的基础（20世纪70年代后期）。,电力电子技术的发展史器件的发展史,2019/9/22,20,电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。,晶闸管问世，(“公元元年”),IGBT及功率集成器件出现和发展时代,水银（汞弧）整流器时代,全控型器件迅速发展时期,史前期（黎明期）,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),电力电子技术的发展史器件的发展史,2019/9/22,21,新材料SiC的采用,器件的发展,2019/9/22,22,器件的发展,新材料SiC的采用,2019/9/22,23,器件的发展,新材料SiC的采用,2019/9/22,

14、24,耐压更高，导通电阻更低，开关速度更快的器件，现已商品化的有：工作频率100MHZ，耐压300V，功率300W的MOSFET；工作频率50KHZ，1200A/3500V的IGBT；2200A/4500V和1800A/5500V的IGCT。,器件的发展,2019/9/22,25,器件的发展情况示意图,2019/9/22,26,电子科大陈星弼院士发明的新结构耐压层功率器件，,突破 传统理论 实现 已获美国专利,器件的发展国内动态,2019/9/22,27,陈星弼院士另一已申请专利的 高低压兼容技术 可实现在同一芯片上同时集成高压的功率器件和低压的控制电路。,器件的发展,2019/9/22,28

15、,以变换器的发展史为纲： 整流器-逆变器-变频器。 整流器时代-20世纪60，70年代。 工业用电是交流发电机提供，20%电能以直流形式消耗，如电解，牵引(电气机车，电传动内燃机，地铁机车，城市无轨电车等），直流传动（轧钢、造纸等）。 大功率硅整流器把交流电转变为直流电，在上世纪6、70年代有很广泛的应用。,电力电子技术的发展史History,2019/9/22,29,以变换器的发展史为纲： 整流器-逆变器-变频器。逆变器时代-20世纪70，80年代。 能源危机，交流电机变频调速节能，关键技术直-交变换； 高压直流输电，静止式无功功率动态补偿等不仅可以实现整流，还可实现逆变，但工作频率主要在低

16、频，GTO,GTR。,电力电子技术的发展史History,2019/9/22,30,以变换器的发展史为纲： 整流器-逆变器-变频器。变频器时代-80年代 高频化,IGBT,POWER MOSFET； 硬件结构模块化，控制系统数字化，产品性能 绿色化。,电力电子技术的发展史History,2019/9/22,31,一般工业 Industrial Application电气传动 Electrical Drives 直流传动，工业电气传动，牵引调速 系统，交流传动。电解，电镀等电化学工业用电源。冶金工业用感应加热电源，淬火电源及直流电弧炉电源。,电力电子技术的应用Application,2019/9

17、/22,32,交通运输 Transportation applications Trains & locomotives 火车，机车 Subways 地铁 Trolley buses 电车 Magnetic levitation 磁悬浮列车 Electric vehicles 电动车 Automotive electronics 自动驱动 Ship power systems 船用电源 Aircraft power systems 航空电源,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,33,电力系统Utility systems applications,电力电子技术的应用A

18、pplication,目前，所有能源中电能约占40%，而电能中60%以上至少经过一次以上电力电子装置的处理，其中55%以上用于电机和电机驱动控制，20%用于照明。 据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关。 如果用很好的电力电子技术去转换能量，至少人类可节省1/3的能源。,2019/9/22,34,输电网中灵活交流输电技术 Flexible ac transmission System(FACTS) 1986年提出，应用电力电子最新发展成就及现代控制技术，实现对交流输电系统参数及网络结构的灵活快速控制，以实现输送

19、功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，提高系统稳定性和安全性。,电力系统Utility systems applications,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,35,电力系统Utility systems applications,电力电子技术的应用Application,配电网中的用户电力电子技术 (Custom Power ) 技术核心：电力电子技术在电力系统中的应用，提高综合暂态电能质量，与柔性交流输电系统FACTS比较，其控制器原理及结构相同，只是电气标称值较小，所以也叫配电网中的FACTS技术或DFACTS。目前国外已研制成功的控制器主要有静态开关设

20、备和静态补偿器。 静态开关设备：固态断路器，固态转换开关 静态补偿器：串联、并联和混合型，用于电流、电 压补偿,2019/9/22,36,高压直流输电：送电端和受电端的阀 High-voltage dc transmission(HVDC),电力系统Utility systems applications,电力电子技术的应用Application,直流输电具有输电距离远、调节性能好、过电压水平低、线路损耗小等优点，特别适用于远距离大功率输电、区间电网互联调峰、海缆输电等场合。中国目前电力装机容量已居世界第二位，亟待发展直流输电。,2019/9/22,37,1984年10月国家批准建设葛洲坝至上

21、海直流输电工程。规模为：500kV、1.2kA、双极额定输送容量1 200MW，线路全长1 045.7km。,换流阀组每极采用一台12脉动的四重阀组，额定电流1.2kA、额定电压500kV，额定容量600MW。每极共三组四重阀，每组四重阀为8层，高9.25m、宽5.4m、深4.5m，重24t，悬挂在阀厅顶上，有利于抗震。该线共用80mm水冷、空气绝缘的晶闸管元件5760只，其主要参数为1.2kA、5.8kV。,高压直流输电：送电端和受电端的阀,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,38,发电机励磁系统 Magnetic field system of generator

22、,电力系统Utility systems applications,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,39,无功补偿和谐波抑制：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） 有源滤波器(APF) 统一潮流控制器等。 Static var compensation & harmonics suppression: TCR, TSC, SVG, APF。配电系统：防止电网瞬时停电，瞬时电压跌落，闪变等，进行电能质量控制，改善供电质量。,电力系统Utility systems applications,电力电子技术的应用Applicat

23、ion,2019/9/22,40,电子装置用电源-高频开关电源，如通信电源，计算机电源，手机电源。 计算机发展提出了绿色电脑和绿色电源，绿色电脑是指对环境无害的个人电脑，绿色电源指与绿色电脑相关的高效省电电源。美国环境保护署1992年6月17日“能源之星”计划规定，台式电脑或相关外围设备在睡眠状态下耗电量小于30W，则符合绿色电脑要求。目前效率为75%的200W开关电源，电源自身消耗50W能源。,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,41,家用电器-节能灯，变频空调等。其他-不停电电源（UPS）。,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,42,轧钢

24、机,数控机床,冶金工业,电解铝,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,43,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,44,电力电子技术的应用Application,中国南方电网公司安顺换流站,晶闸管投切电容器,静止无功发生器,2019/9/22,45,SVC,高压直流装置HVDC,柔性交流输电FACTS,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,46,程控交换机,电子装置,微型计算机,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,47,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,48,大型计算机

25、的UPS,航天技术,电力电子技术的应用Application,2019/9/22,49,新能源风电,电力电子技术的应用Application,广东南澳岛风力发电场,新能源光伏发电,2019/9/22,50,电动汽车：燃料电池车，在永磁电机和电池之间有功率变换以使二者匹配，以及使后者实现精密调速的问题，即电源变换、运动控制问题，都是电力电子的范畴。超导电感储能：合理利用电能。大功率风机、水泵、压缩机变频调速。柔性交流输电系统。,电力电子技术的应用新领域,2019/9/22,51,电力电子技术的应用Application,电力电子技术应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。

26、电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，可以说，电力电子技术研究的就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用的变频调速，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。,2019/9/22,52,高频化-小型化，高效率。模块化-减小装置体积，提高可靠性。 功率器件模块化，电源单元模块化。数字化-避免信号传递畸变和失真，提 高抗干扰能力等。绿色化-环保，节能，减少环境污染， 谐波抑制。,电力电子技术的发展趋势,2019/9/22,53,电力电子技术的几个关键问题,Major issues in power electronics,How to meet

27、 the requirement of the load or gain better control of the loadHow to improve the efficiency -for reliable operation of power semiconductor devices -for energy savingHow to realize power conversion with less volume, less weight, and less costHow to reduce negative influence to other equipment in the

28、 electric power system and to the electromagnetic environment,2019/9/22,54,电力电子电路的仿真,电力电子器件具非线性，电力电子电路讨论、分析、计算复杂程度增加。波形分析和分段线性化处理。,计算机仿真：在计算机上虚拟实际的物理系统，用数学模型代替实际物理器件和电路，实现对实际电路工作过程的研究和讨论。电力电子电路的仿真软件有很多，目前最常用的主要有PSPICE软件和MATLAB的Simulink平台。,2019/9/22,55,电力电子技术教材内容,2019/9/22,56,了解电力电子技术的发展概况、动态、应用领域和与有

29、关课程的关系。了解与熟悉以晶闸管为代表的半控型器件和以GTR,IGBT为代表的全控性器件的工作原理，电气特性和主要参数。熟悉并掌握单相，三相整流电路和有源逆变电路的原理、结构、电气性能，并能进行初步设计。熟悉并掌握直流斩波、交流调压、无源逆变电路的原理、电路结构、电气性能，并能进行初步设计。,电力电子技术课程的基本要求,2019/9/22,57,电力电子技术（第2版），郭世明、黄念 慈主编，西南交通大学出版社，2002年电力电子系统理论与设计Power Electronic Systems -Theory and Design Jai P.Agrawal 清华大学出版社，2001年8月电力电子

30、变换技术，林忠岳主编，重庆大学出版社，1997年7月,主要参考资料,2019/9/22,58,课堂教学学时 42实验学时 6（3次，单相，三相整流，PWM，SPWM）学分 3实验10-20平时10-20，包括出勤情况，作业期末60-70,本课程安排,2019/9/22,59,平均值和有效值的概念 周期,相关基础知识的复习,2019/9/22,60,瞬时功率定义：电压瞬时值电流瞬时值平均功率定义：,瞬时功率和平均功率,2019/9/22,61,直流电路中，电压为常量E(V)，电流为常量I(A)，则平均功率为：电阻负载电路平均功率计算：注意：本课程中定义，由电源输出功率为正，向电源输入功率为负。,瞬时功率和平均功率,2019/9/22,62,理想电感一周期内电压平均值为零电感上电压电感上电流理想电感，周期开始和结束时电流相等,理想电感,2019/9/22,63,理想电容一周期电流平均值为零电容上流过的电流为电容上的电压为理想电容周期开始和结束时电流值相等,理想电容,2019/9/22,64,傅立叶表达式（） 平均值，即直流成分 基波频率,谐波分析方法,2019/9/22,65,傅立叶表达式（）平均值，即直流成分 基波频率,谐波分析方法,2019/9/22,66,