电力电子技术概述课件

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,电力电子技术概述1.1 什么是电力电子技术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,电力电子技术的概念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,具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件,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,逆变器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,电力电子学图1-1 描述电力电子学的倒三角形1.1 什么,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电力电子技术和电子学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 各种电力电子装置广泛,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。,8,1.1 什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论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。,9,1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图1-3,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,晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎1.2 电,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,晶闸管时代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,全控型器件和电力电子集成电路（PIC）1.2 电力电子技术,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,把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在1.2 电力电子,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,硬开关：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,软开关：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。,16,1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。,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,图1-4 AB变频器有些并不特别要求调速的电机为1.3 电,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,交通运输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,电力系统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,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,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,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,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,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,电子装置用电源 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,开关电源线性电源：24,线性电源,25,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,开关电源,27,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,家用电器 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