第1章电力电子精.ppt
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1、第1章电力电子第1页,本讲稿共56页第一章第一章 电力电子技术的发展电力电子技术的发展电力电子技术的发展电力电子技术的发展首首 页页1.1 电力电子技术的含义1.2 电力电子设备的特性 1.3 电力电子技术的发展史 1.4 电力电子技术的发展方向和前景 第2页,本讲稿共56页下 页上 页返 回电力电子技术电力电子技术 根据电力电子器件的特性,采用一种有效的静态根据电力电子器件的特性,采用一种有效的静态变换和控制方法,将一种电能形式转换为另一种变换和控制方法,将一种电能形式转换为另一种电能形式的技术。电能形式的技术。电气和电子器件的有效使用电气和电子器件的有效使用线性与非线性电路的理论分析线性与
2、非线性电路的理论分析控制理论的应用控制理论的应用成熟设计方法的使用成熟设计方法的使用 第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展1.1 电力电子技术的含义电力电子技术的含义 第3页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回电力电子技术电力电子技术的正确应用的正确应用使用先进的分析工具,研使用先进的分析工具,研究其控制系统的性能究其控制系统的性能保证指避免使用需要周期性维指避免使用需要周期性维护或替换的旋转器件。护或替换的旋转器件。l高可靠性高可靠性不使用
3、质量不高、性能不不使用质量不高、性能不稳定,时限很短的器件。稳定,时限很短的器件。l高实用性高实用性第4页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页返回电力电子类似于微电子学技术,都是基于硅材料应电力电子类似于微电子学技术,都是基于硅材料应电力电子类似于微电子学技术,都是基于硅材料应电力电子类似于微电子学技术,都是基于硅材料应用科学的一个分支,采用硅分子渗透技术。用科学的一个分支,采用硅分子渗透技术。用科学的一个分支,采用硅分子渗透技术。用科学的一个分支,采用硅分子渗透技术。电能量交流交流电电直流直流电电电磁辐电磁辐射
4、射脉脉冲冲激光激光束束第5页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性,以及电力电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性,以及电力电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性,以及电力电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性,以及电力应用中新技术有效性。应用中新技术有效性。应用中新技术有效性。应用中新技术有效性。电力电子成本的核心是功率器件的特性,特别是它的导电力电子成本的核心是功率器件的特性,特别是它的导电力电子成本的核心是功率器件的特性,特别是它的导电力电子成本的核心是功率器
5、件的特性,特别是它的导通损耗、开关损耗、和开关速度。通损耗、开关损耗、和开关速度。通损耗、开关损耗、和开关速度。通损耗、开关损耗、和开关速度。“电力电子集成电力电子集成电力电子集成电力电子集成”是电力电子技术发展的新阶段。是电力电子技术发展的新阶段。是电力电子技术发展的新阶段。是电力电子技术发展的新阶段。电力电子技术代表了新型电能控制发展的基本趋势和电力电子技术代表了新型电能控制发展的基本趋势和电力电子技术代表了新型电能控制发展的基本趋势和电力电子技术代表了新型电能控制发展的基本趋势和革命性的概念。革命性的概念。革命性的概念。革命性的概念。第6页,本讲稿共56页信息电子技术信息电子技术信息电子
6、技术信息电子技术信息处理信息处理电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力变换电力变换电子技术一般即指信息电电子技术一般即指信息电子技术,广义而言,也包括电子技术,广义而言,也包括电力电子技术。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电力电子技术电力电子技术电力电子技术使用电力电子使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,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。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。也称电力半导体器件。电力电子技术变换的电力电子技
7、术变换的“电力电力”,可,可大到数百大到数百MWMW甚至甚至GWGW,也可小到数,也可小到数WW甚至甚至mWmW级。级。第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回补充:王兆安教材第7页,本讲稿共56页 变流技术(电力电子器件应用技术)变流技术(电力电子器件应用技术)变流技术(电力电子器件应用技术)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。和电力电子系统的技术。电力电
8、子技术的核心,理论基础是电路理论。电力电子技术的核心,理论基础是电路理论。电力电子技术的两大分支 电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电电力力电电子子技技术术的的基基础础,理理论论基基础础是是半半导导体体物理。物理。第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回第8页,本讲稿共56页 电力电子学电力电子学电力电子学电力电子学 (Power Electronics)(Power Electronics)名称名称6060年代年代 出现。出现。19741974年,美国的年,美国的W.New
9、ellW.Newell用图用图1 1的倒三角形对电力电子学进行的倒三角形对电力电子学进行了描述,被全世界普遍接受。了描述,被全世界普遍接受。电力电子学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 描述电力电子学的倒三角形 与相关学科的关系第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回第9页,本讲稿共56页都分为都分为器件器件和和应用应用两大分支。两大分支。器件器件的材料、工艺基本相同,采用微电子技术。的材料、工艺基本相同,采用微电子技术。应用应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。的理论基础、分析方法、
10、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;大状态;电力电子电路的器件一般只工作在电力电子电路的器件一般只工作在开关状态开关状态。二者同根同源。二者同根同源。与电子学(信息电子学)的关系与电子学(信息电子学)的关系与电子学(信息电子学)的关系与电子学(信息电子学)的关系 与相关学科的关系第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回第10页,本讲稿共56页电力电子技术广泛用于电气工程中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高压直流输
11、电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动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国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。分支。与电力学(电气工程)的关系与电力学(电气工程)的关系与电力学(电气工程)的关系与电力学(电气工程)的关系 与相关学科的关系第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回第11页,本讲稿共56页控制理论广泛用
12、于电力电子系统中。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,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;是弱电和强电的接口;控制理论是这种接口的有力纽带。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电力电子装置是自动化技术的基础元件和 重要支重要支撑技术。撑技术。与控制理论(自动化技术)的关系与控制理论(自动化技术)的关系与控制理论(自动化技术)的关系与控制理论(自动化技术)的关系 与相关学科的关系第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回第12页,本讲稿共56页第一
13、章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回1.2 1.2 电力电子设备的特性电力电子设备的特性 l电力电子设备电力电子设备 电力电子控制器电力电子控制器静止功率变换器静止功率变换器功率调节器功率调节器 l目的目的处理电气意义上的功率处理电气意义上的功率 l功能功能控控制制交交流流或或直直流流电电源源与与一一个个或或者者多多个个需需要要此此交交流流或或直直流流电电源源的负载之间的功率的传输。的负载之间的功率的传输。第13页,本讲稿共56页下 页上 页返 回交直流电流变换器交直流电流变换器功率调节器功率调节器第一章电力电子技术的发
14、展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展功率传输由接在变换器终端的电阻组成的一个或功率传输由接在变换器终端的电阻组成的一个或多个负载的需要决定。多个负载的需要决定。第14页,本讲稿共56页下 页上 页返 回第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展 电力电力交流和直流两种交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流,从蓄电池和干电池得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。到的是直流。表1 电力变换的种类 进行电力变换的技术称为进行电力变换的技术称为 变流技术。变流技术。逆变逆变直流斩波直流
15、斩波直流直流交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相整流整流交流交流交流交流直流直流 输出输出 输入输入 变流技术变流技术 电力变换四大类电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流第15页,本讲稿共56页下 页上 页返 回1.1.AC/DC变换变换把交流电压变换成固定把交流电压变换成固定或可调的直流电压。或可调的直流电压。四大类电力电子功率变换设备四大类电力电子功率变换设备第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展lAC/DC变换变换 l整流整流把交流电压变换成固定或把交流电压变换成固定或可调的直流电压的可调的直流电
16、压的装置装置。l整流器整流器非线性电阻直流负载交流电源ui第16页,本讲稿共56页下 页上 页返 回2.2.DC/AC变换变换第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展把直流电变换成频率、电把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电压固定或可调的交流电。lDC/AC变换变换 l逆变逆变l有源逆变有源逆变l无源逆变无源逆变交流输出接电网交流输出接电网交流输出接负载交流输出接负载无源逆变装置的输出无源逆变装置的输出恒频电源恒频电源不间断供电电源不间断供电电源变频变频电源电源第17页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展
17、第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回无源(有源)阻抗交流负载直流电源+-用于各种变频电源、中频感应加热和交流电动机用于各种变频电源、中频感应加热和交流电动机的变频调速等场合。的变频调速等场合。第18页,本讲稿共56页下 页上 页返 回3.3.AC/AC变换变换把固定或变化的交流频率、把固定或变化的交流频率、电压变换成可调或固定的交电压变换成可调或固定的交流频率、电压流频率、电压。第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展lAC/AC变换变换 AC/AC变换电路变换电路 l变频器变频器l周波变换器周波变换器 用于
18、交流电动机的变频调速。用于交流电动机的变频调速。可变阻抗R,C或L交流负载交流电源第19页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回4.4.DC/DC变换变换把固定或变化的直流电压把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流变换成可调或恒定的直流电压电压。lDC/DC变换变换 l直流斩波直流斩波 把交流电压变换成固定或可把交流电压变换成固定或可调的直流电压的调的直流电压的变换器变换器。l斩波器斩波器 l脉宽调制变换器脉宽调制变换器 第20页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一
19、章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回主要用于直流电压变换、开关电源、电车、地铁、主要用于直流电压变换、开关电源、电车、地铁、矿车等电气机车上所用的直流电动机的牵引传动以矿车等电气机车上所用的直流电动机的牵引传动以及计算机、通信和各类仪器仪表的电源等。及计算机、通信和各类仪器仪表的电源等。+-UINUOUTRLIINIOUT+-第21页,本讲稿共56页下 页上 页返 回1.3 1.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术迅速发展,与全球能源、环境等问题电力电子技术迅速发展,与全球能源、环境等问题电力电子技术迅速发展,与全球能源、环境等问题电力电子技术迅速
20、发展,与全球能源、环境等问题息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度的标息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度的标息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度的标息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度的标准。能源消耗带来的环境污染和安全问题已成为社准。能源消耗带来的环境污染和安全问题已成为社准。能源消耗带来的环境污染和安全问题已成为社准。能源消耗带来的环境污染和安全问题已成为社会的主要问题。会的主要问题。会的主要问题。会的主要问题。利用电力电子技术可以有效地节约能源。节约能源不仅利用电力电子技术可以有效地节约能源。节约能源不仅利用电力电子技术可以有效地节约能源。节约能源不仅利用电力电子技术可以
21、有效地节约能源。节约能源不仅带来经济效益,也为减少环境污染带来了利益。带来经济效益,也为减少环境污染带来了利益。带来经济效益,也为减少环境污染带来了利益。带来经济效益,也为减少环境污染带来了利益。第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第22页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回史前期晶体管诞生晶闸管时代全控器型件迅速发展19042000199019801970195719471930水银(汞弧)整流器时代晶闸管问世IGBT出现功率集成器件电子管
22、问世年第23页,本讲稿共56页下 页上 页返 回内燃机内燃机内燃机内燃机感应电动机感应电动机感应电动机感应电动机直流电机直流电机直流电机直流电机第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第24页,本讲稿共56页下 页上 页返 回晶体管晶体管晶体管晶体管晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管集成电路集成电路集成电路集成电路第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第25页,本讲稿共56页下 页上 页返 回功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器磁放大器磁放大器磁放大器磁放大器第一章电力电子技术的发展第一
23、章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第26页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回电力电子技术史前期电力电子技术史前期水银整流器水银整流器闸流管闸流管金属封装水银整流器金属封装水银整流器电子管电子管硒整流器硒整流器电真空器件第27页,本讲稿共56页第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展第一章电力电子技术的发展下 页上 页返 回晶体管引发了电子技术的一场革命。晶体管引发了电子技术的一场革命。晶体管引发了电子技术的一场革命。晶体管引发了电子技
24、术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管,最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管,最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管,最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管,普通半导体整流器开始使用。普通半导体整流器开始使用。普通半导体整流器开始使用。普通半导体整流器开始使用。晶闸管使电力电子技术进入了功率领域:晶闸管使电力电子技术进入了功率领域:晶闸管使电力电子技术进入了功率领域:晶闸管使电力电子技术进入了功率领域:1 1 1 1)电力变换能力有了大幅度的突破;)电力变换能力有了大幅度的突破;)电力变换能力有了大幅度的突破;)电力变换能力有了大幅度的突破;2 2 2 2)实现了弱点对强电变换
25、电路的控制;)实现了弱点对强电变换电路的控制;)实现了弱点对强电变换电路的控制;)实现了弱点对强电变换电路的控制;3 3 3 3)变流装置由旋转方式变为静止方式,效率提)变流装置由旋转方式变为静止方式,效率提)变流装置由旋转方式变为静止方式,效率提)变流装置由旋转方式变为静止方式,效率提高、体积缩小、寿命延长、噪声消除、维护方便。高、体积缩小、寿命延长、噪声消除、维护方便。高、体积缩小、寿命延长、噪声消除、维护方便。高、体积缩小、寿命延长、噪声消除、维护方便。传统电力电子技术阶段传统电力电子技术阶段第一代电力电子器件第一代电力电子器件第28页,本讲稿共56页下 页上 页返 回半导体器件的发展
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