电力电子技术概述

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,电力电子技术概述,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,1.4 电力电子器件,1,电力电子技术的概念,可以认为，所谓电力电子技术就是应用于,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。,1.1 什么是电力电子技术,2,具体地说，电力电子技术就是使用,电力电子器件,对,电能,进行,变换,和,控制,的技术。,电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基,础。,变流技术则是电力电子技术的核心,。,输入,输出,交流,（AC）,直流,（DC）,直流,（DC）,整流,直流斩波,交流,（AC）,交流电力控制,变频、变相,逆变,表1-1 电力变换的种类,1.1 什么是电力电子技术,3,逆变器,-把固定的直流电压变成,固定,或,可调,的交流电压,斩波器,-把固定的直流电压变成,可调,的直流电压,交流调压器,-把固定的交流电压变成,可调,的交流电压,变频器,-把固定的交流频率变成,可调,的交流频率,1.1 什么是电力电子技术,4,电力电子学,美国学者W. Newell认为电力电子学是由,电力学,、,电子学,和,控制理论,三个学科交叉而形成的。,图1-1 描述电力电子学的倒三角形,1.1 什么是电力电子技术,5,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和电子学,电力电子,器件的制造技术,和用于信息变换的电子,器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）,是一样的，其大多数工艺也是相同的。,电力电子电路和信息电子电路的许多,分析方法,也,是一致的。,电力电子技术和电力学,电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电,子学和电力学的主要关系。,6,1.1 什么是电力电子技术,各种电力电子装置广泛,应用于,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、励,磁、电加热、高性能交直流,电源等之中，因此，无论是,国内国外，通常都把电力电,图1-2 电气工程的双三角形描述,子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传,动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电,气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学,科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学,科内各二级学科的关系。,7,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和控制理论,控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电,子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种,需求。,电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技,术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实,现这种接口的一条强有力的纽带。,另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二,者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基,础元件和重要支撑技术。,8,1.2 电力电子技术的发展史,电力电子技术的发展史,图1-3 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。,9,晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎,明期。,1904年出现了,电子管,，它能在真空中对电子流进行控,制，并应用于通信和无线电，从而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。这一时期，各种整流电路、逆变,电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在,这一时期，也应用,直流发电机组,来变流。,1947年美国著名的贝尔实验室发明了,晶体管，,引发了,电子技术的一场革命。,1.2 电力电子技术的发展史,10,晶闸管时代,晶闸管,由于其优越的电气性能和控制性能，使,之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且,其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基,础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立,的。,晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不,能使其关断的器件，属于,半控型器件,。对晶闸管电,路的控制方式主要是相位控制方式，简称,相控方式,。,晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实,现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。,1.2 电力电子技术的发展史,11,全控型器件和电力电子集成电路（PIC）,70年代后期，以,门极可关断晶闸管（GTO）,、,电力双极型晶体管,（GTR）,和,电力场效应晶体管（Power-MOSFET）,为代表的,全控型器,件,迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控,制既可使其,开通,又可使其,关断,。,采用全控型器件的电路的主要控制方式为,脉冲宽度调制（PWM）,方式。相对于相位控制方式，可称之为,斩波控制方式,，简称,斩控方式,。,在80年代后期，以,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,为代表的,复合,型器件,异军突起。它是,MOSFET,和,BJT,的复合，综合了两者的优点。,与此相对，,MOS控制晶闸管（MCT）,和,集成门极换流晶闸管（IGCT）,复合了,MOSFET,和,GTO,。,1.2 电力电子技术的发展史,12,把,驱动、控制、保护电路,和,电力电子器件,集成在,一起，构成,电力电子集成电路（PIC），,这代表了,电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成,技术包括以,PIC,为代表的,单片集成技术、混合集成,技术以及系统集成技术,。,随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子,电路的,工作频率,也不断提高。与此同时，,软开关技,术,的应用在理论上可以使电力电子器件的,开关损耗,降为零，从而提高了电力电子装置的,功率密度,。,1.2 电力电子技术的发展史,13,硬开关：,开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。,电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致,开关噪声。,硬开关和软开关,14,软开关：,在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开,关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。,降低开关损耗和开关噪声。,硬开关和软开关,15,1.3 电力电子技术的应用,电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于,一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信,系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调,等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。,一般工业,工业中大量应用各种,交直流电动机,，都是用电力电子装置进行调速的。,一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了,变频装置,，以达到节能的目的。,16,图1-4 AB变频器,有些并不特别要求调速的电机为,了避免起动时的电流冲击而采用了,软起动装置，这种软起动装置也是,电力电子装置。,电化学工业大量使用,直流电源,，,电解铝、电解食盐水等都需要大容,量,整流电源,。电镀装置也需要整流,电源。,电力电子技术还大量用于冶金工,业中的,高频或中频感应加热电源,、,淬火电源及直流电弧炉电源等场合。,1.3 电力电子技术的应用,17,交通运输,电气化铁道中广泛采用电力电子技术。,电气机车,直流机车中采用,整流装置,交流机车采用,变频装置,直流斩波器,也广泛用于铁道车辆。,车辆中的各种,辅助电源,也都离不开电力电子技术。,电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱,动控制，其,蓄电池,的充电也离不开电力电子装置。一台高,级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠,变频器,和,斩波器,驱动并控制。,飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。,1.3 电力电子技术的应用,18,电力系统,直流输电,在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的,整流阀,和受电端的,逆变阀,都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。,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）,等电力电子装置大量用于电力系统的,无功补偿,或,谐波抑制,。,1.3 电力电子技术的应用,19,利用稳定的,直流电,具有无,感抗,，,容抗,，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。,通过,架空线,和,海底电缆,远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立,电力系统,(不同频率电网，频率相同但控制规律不同的交流电网)间的互联。,高压直流输电,（,HDVC,）,20,高压直流输电系统：电能从三相交流,电网,的一点导出，在,换流站,转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。,高压直流输电（,HDVC,）,21,图1-5 中国南方电网公司安顺换流站,图1-6 静止无功发生器（上）和,晶闸管投切电容器（下）,1.3 电力电子技术的应用,22,电子装置用电源,各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流,电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电,源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型,器件的,高频开关电源,。,大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电,源现在也都采用,高频开关电源,。,在大型计算机等场合，常常需要,不间断电源,（Uninterruptible Power Supply_ UPS）,供电，不,间断电源实际就是典型的电力电子装置。,1.3 电力电子技术的应用,23,开关电源,线性电源：,调整管工作在线性放大状态,调整管损耗大,工频变压器,体积大，重量重。,24,线性电源,25,开关电源,开关电源：泛指电路中有电力电子器件工作在高频开关状态的直流电源。,电力电子器件工作在开关状态，损耗很小,其隔离和电压变换的变压器T是,高频变压器,，体积大大缩小，重量大大减轻,26,开关电源,27,家用电器,电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。,变频,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。,1.3 电力电子技术的应用,28,总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。,新能源、可再生能源发电比如风,力发电、太阳能发电，需要用电力,电子技术来缓冲能量和改善电能质,量。当需要和电力系统联网 时，更,离不开电力电子技术。,核聚变反应堆在产生强大磁场和,注入能量时，需要大容量的脉冲电,源，这种电源就是电力电子装置。,科学实验或某些特殊场合，常常需,要一些特种电源，这也是电力电子,技术的用武之地。,图1-7 风场,1.3 电力电子技术的应用,29,概念,主电路,（Main Power Circuit）,电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控,制任务的电路。功率变换器即为通常所说的电力电,子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。,1.4,电力电子器件,-,概念、分类、特征、损耗,30,电力电子器件,（Power Electronic Device）,可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。,电力电子装置示意图,1.4,电力电子器件,-,概念、分类、特征、损耗,31,分类:,电真空器件 (汞弧整流器、闸流管),半导体器件 (采用的主要材料硅）,目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管,（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率,半导体器件组成,1.4,电力电子器件,-,概念、分类、特征、损耗,32,同处理信息的电子器件相比的一般特征,能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。,电力电子器件一般都工作在,开关状态,。,电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制,电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装,散热器,。,1.4,电力电子器件,-,概念、分类、特征、损耗,33,主要损耗,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,通态损耗是器件功率损耗的主要成因。,器件开关频率较高时，开关损耗可能成为,器件功率损耗的主要因素。,控制极损耗,1.4,电力电子器件,-,概念、分类、特征、损耗,34,图 电力电子器件在实际应用中的系统组成,控,制,电,路,检测电路,驱动电路,R,L,主电路,V,1,V,2,保护电路,电气隔离,在主电路和控制电路中附,加一些电路，以保证电力,电子器件和整个系统正常,可靠运行,由控制电路、驱动电路、,保护电路和以,电力电子器件为核心的,主电路,组成,应用电力电子器件的系统组成,电力电子电路,电力电子系统,电力电子电路,35,应用电力电子器件的系统组成,导通,主电路中,电力电子器件,关断,检测电路、驱动电路以外的电路,控制电路,由信息电路组成,控制电路,主电路,电力电子系统,检测电路,检测主电路或应用现场信号,通过驱动电路,控制,36,主电路,驱动电路,检测电路,控制电路,控制信号,电气隔离,电气隔离,电气隔离,电气隔离,电气隔离,保护电路,保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行,应用电力电子器件的系统组成,37,电力电子器件在实际应用中的系统组成,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,V,1,V,2,主电路端子,之间信号,导通,关断,电力电子器件,控制端,主电流端子（公共端）,驱动电路和主电路，,是主电路电流流出电力电子器件的端子,控,制,电,路,检测电路,驱动电路,R,L,主电路,V,1,V,2,保护电路,应用电力电子器件的系统组成,38,是构成电力电子设备的核心，电力电子技术的基础,作为开关元件的,要求：,开关速度快、承受电流/电压能力大，工作损耗小,。,理想状态：,截止时能承受,高电压,且,漏电流,要小；,导通时能流过,大电流,和很低的,管压降,；,在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损,耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt和du/dt上升,率，以及具有全控功能。,电力半导体器件,39,电力电子器件的分类,1.,按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分为以下三类,不可控器件(Power Diode,),不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。二极管VD,半控型器件（,Thyristor,）,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。普通晶闸管SCR,全控型器件（,IGBT,MOSFET,),通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。 GTO、GTR、功率MOSFET、IGBT等,40,2.,按照门极(栅极)驱动电路信号的性质，分为两类：,电流驱动型,通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。该类器件,驱动功率大,，,驱动电路复杂,，,工作频率低。,如SCR、 GTO、GTR,电压驱动型,仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。该类器件,驱动功率小,，驱,动电路简单可靠，工作频率高,。,如IGBT、 P-MOSFET,电力电子器件的分类,41,电力电子器件的分类,3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的,情况分为三类：,单极型器件,由一种载流子参与导电的器件，如功率MOSFET,双极型器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，,如二极管、SCR、GTO、GTR,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，,如IGBT，是电力电子器件发展方向。,42,