电力电子技术绪论.ppt

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1、电力电子技术基础电力电子技术基础 赵克赵克 制造楼616室 电气工程系专业平台课电气工程系专业平台课1第一章第一章 绪论绪论 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用20世纪人类最伟大的世纪人类最伟大的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、成像技机械化、计算机、电话、空

2、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、新材料术、家电、保健科技、石化、激光与光纤、核能利用、新材料 2 1.1 什么是电力电子技术 1.1.1 1.1.1 电力电子技术的概念电力电子技术的概念 电力电子技术电力电子技术-应用于应用于电力领域电力领域的电子技术。的电子技术。电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力”有区别有区别于于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力”，后者特指，后者特指电力网的电力网的“电力电力”，前者则更一般些。，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电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两

3、大分支。通常所说的模拟电子技术和数字两大分支。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。电子技术都属于信息电子技术。3从工程的对象对象和内容内容及手段手段几方面理解：p 对象：能量中的电能p 内容：对电能的变换和控制p 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？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使用电力电子器件电力电子器件对对电能电能进行进行变换变换和和控控制制的技术。的技术。4n例例1.1：电车（地铁等）用设置在车底下的变流装置：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。控制

4、来自架空线的直流电流，对电动机进行调速。图图1.1 1.1 电车的调速方式电车的调速方式5n例例1.2：自然能发电：自然能发电 （太阳能和风能）（太阳能和风能）在采用自然能发电时，必在采用自然能发电时，必须控制变化的发电功率。须控制变化的发电功率。图图1.2 1.2 太阳能发电能量流程太阳能发电能量流程图图1.3 1.3 风能发电能量流程风能发电能量流程6 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？问题：如何实现电能变换？

5、7 1.1.4 电能变换的基本原理 变换类型变换类型1 1：AC-DCAC-DC 利用利用S1S1S4S4的导通与关断的组合，可由交流形成直流。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。同时，控制开关导通的时间，可控制直流电压大小。图图1-4 AC-DC电路结构与波形电路结构与波形在功率变换电路中，为了尽量提高电能变换的在功率变换电路中，为了尽量提高电能变换的效率效率，应采用开关型，应采用开关型变换器。因为器件只有工作在变换器。因为器件只有工作在开关状态开关状态，才能降低变换过程中的电，才能降低变换过程中的电能损耗。能损耗。单方向直流8利用利用S S的

6、导通和关断，控制负载上的直流电压。的导通和关断，控制负载上的直流电压。图图1-5 DC-DC电路结构与波形电路结构与波形变换类型变换类型2：DC-DC平均电压改变9l利用利用S1S1S4S4的导通与关断的组合，将负载电压值控制的导通与关断的组合，将负载电压值控制在正负范围。在正负范围。l同时，可控制负载上交流电压的频率。同时，可控制负载上交流电压的频率。图图1-6 DC-AC电路结构与波形电路结构与波形变换类型变换类型3：DC-AC交变电压10控制控制S1,S2S1,S2开关导通的时间，可控制交流电压开关导通的时间，可控制交流电压大小。大小。图图1-7 AC-AC电路结构与波形电路结构与波形问

7、题：开关型变换器中的开关器件应如何选取？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。变换类型变换类型4：AC-AC11 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）:图图1-8 斩波电路结构与波形斩波电路结构与波形12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：q机械开关：（1）和（2）-yes，（

8、3）和（4）-noq半导体开关：较好满足（3）和（4）基本满足（1）和（2）13理想开关理想开关半导体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14 1.1.6 电力电子器件的种类按照其控制通断的能力分类按照其控制通断的能力分类:不控型不控型、半控型和全控型。半控型和全控型。1516 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

9、点是变流技术。（1）研究内容包括两大分支：）研究内容包括两大分支：1.1.7.电力电子技术的特点 17电力电子技术是应用在电力变换领域的电子技术。（2 2）与电子技术的关系）与电子技术的关系18 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）学科特点191.2 电力电子技术的发展史图图1-9 电力电子技术的发展史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一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。20 1

10、904年年-电子管电子管，开启了电子技术用于电力领，开启了电子技术用于电力领 域的先河。域的先河。20世纪世纪30年代到年代到50年代年代-水银整流器水银整流器，广泛用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。动机的传动，甚至用于直流输电。1947年年-晶体管晶体管(贝尔实验室贝尔实验室)，引发了电子技，引发了电子技术的一场革命。术的一场革命。晶闸管出现前晶闸管出现前-史前期或黎明期。史前期或黎明期。21晶闸管时代晶闸管时代电电气气性性能能控控制制性性能能水水银银整整流流器器旋旋转转变变流流机机组组取代取

11、代电力电子技术的电力电子技术的概念和基础概念和基础晶晶闸闸管管特特点点半控型器件半控型器件相控方式相控方式应用局限性应用局限性产生产生22全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC）70年代后期年代后期门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）电力双极型晶体管（电力双极型晶体管（BJT）电力场效应晶体管电力场效应晶体管（Power-MOSFET）（全控型器件）（全控型器件）控制方式控制方式脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）在在80年代后期年代后期绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）集成门极换流晶闸管（集成门极换

12、流晶闸管（IGCT）23电力电子器件电力电子器件驱动、控制、保护电路驱动、控制、保护电路电力电子集成技术电力电子集成技术单片集成技术单片集成技术混合集成技术混合集成技术系统集成技术系统集成技术软开关技术软开关技术开关损耗开关损耗功率密度功率密度电力电子集成电路电力电子集成电路（PIC）24电力电子技术的电力电子技术的应用范围十分广泛应用范围十分广泛 一般工业一般工业交通运输交通运输 电力系统电力系统通信系统通信系统新能源系统新能源系统家用电器家用电器1.3 电力电子技术的应用无处不在无处不在25一般工业中应用一般工业中应用交直流电动机调速交直流电动机调速变频调速变频调速软起动装置软起动装置电化

13、学工业电化学工业电解铝电解铝电镀电镀冶金工业冶金工业感应加热感应加热淬火电源淬火电源目的？要求？要求？26图图1-10 AB变频器变频器27交通运输中应用交通运输中应用电气化铁道电气化铁道直流机车直流机车整流装置整流装置交流机车交流机车变频装置变频装置直流斩波器直流斩波器磁悬浮列车磁悬浮列车电动汽车电动汽车电力变换和驱动控制电力变换和驱动控制蓄电池的充电蓄电池的充电28电力系统中应用电力系统中应用直流输电直流输电（长距离大（长距离大容量输电）容量输电）送电端的整流阀送电端的整流阀受电端的逆变阀受电端的逆变阀柔性交流输电柔性交流输电无功补偿或谐波抑制无功补偿或谐波抑制（电能质量控制）（电能质量控

14、制）晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）交直流操作电源交直流操作电源29图图1-11 中国南方电网公司中国南方电网公司 安顺换流站安顺换流站图图1-12 静止无功发生静止无功发生器（上）和器（上）和 晶闸管晶闸管投切电容器（下）投切电容器（下）30电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置各种电子装置-直流电源供电。直流电源供电。程控交换机程控交换机-高频开关电源高频开关电源。微型计算机电源微型计算机电源-高频开关电源高频开关电源。在大型计算机等场合在大型计算机等

15、场合-不间断电源不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）（典型的电力电子装置）（典型的电力电子装置）31电力电子照明电源电力电子照明电源-逐步取代白炽灯和日逐步取代白炽灯和日光灯。光灯。空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电子技术。家用电器家用电器 32图图1-13 风场风场新能源中应用新能源中应用风能、太阳能发电风能、太阳能发电缓冲能量和改善电能质量缓冲能量和改善电能质量电力系统联网电力系统联网核聚变反应堆核聚变反应堆大

16、容量的脉冲电源大容量的脉冲电源产生强大磁场产生强大磁场33 据统计据统计7070的电能都是经过变换后才使用，随着科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。技的发展，电能变换的比例将会进一步提高。电力电子技术是电力电子技术是电气工程领域的电气工程领域的新学科和迅速发展的新学科和迅速发展的朝阳产业朝阳产业 。电力电子器件（半导体）技术和微处理器技术的进电力电子器件（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。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。电子技术是电能变换的技术，是把粗电变精电的技术。应用小结应用小结34课程结构结束35