电力电子技术8671202024

电力电子技术8671202024,第一讲 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 电力电子技术的主要内容,1.1 什么是电力电子技术,电子技术,包括,：,信息电子技术 电力电子技术,信息电子技术(Info Electronic Technology),模拟电子技术(,Analog Electronic Technology,)和数字电子技术(,Digital Electronic Technology,)，主要用于信息处理(Info Dispose)。,电力电子技术(Power Electronic Technology),应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件,(Power Electronic Device,)对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换(,Power Conversion,),。,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,)。,电力电子装置（,Power Electronic Equipment,)的功率，可大到数百MW甚至GW，也可小到数瓦甚至1W以下,1.1,什么是电力电子技术-电力电子技术的两个分支,电力电子技术的两个分支：,电力电子变流技术 电力电子器件制造技术,1、,电力电子变流技术,(Power Electronic Conversion Technique),用电力电子器件,(Power Electronic Device,),构成电力变换电路,(,Power Conversion Circuit,),和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置,（,Power Electronic Equipment,),和电力电子系统(,Power Electronic System),的技术。,电力电子技术的核心，理论基础是电路理论,(,Theory of Electric circuit,),。,2、,电力电子器件制造技术,(Manufacture Technique of Power Electronic Device),电力电子器件制造技术的基础，理论基础是半导体物理(Semiconductor Physics),1.1 什么是电力电子技术-电力电子变流技术,电力电子变流技术：,用电力电子器件,进行电力变换的技术，简称为,变流技术,(Power Conversion Technique),。,电力变换四大类：,交流直流、直流交流、直流直流和交流交流。,输入,输出,交 流(,Alternating CurrentAC,),直 流,(Direct CurrentDC,),直流,(Direct CurrentDC,整流(,Rectification,),直流斩波(,DC Chopping,),交 流(,Alternating CurrentAC,),交流调压,(AC Voltage Conversion),、变频,(Frequency Conversion),、变相,(Phase Conversion),逆 变(Inversion),1.1 什么是电力电子技术-电力变换的类型,电力变换的类型,：,常见的电力变换种类,1.1 什么是电力电子技术-,电力电子技术特点,电力电子技术特点,电力电子技术的发展集中体现在电力电子器件的发展上；,这些器件一般均工作在开关状态，这是重要特征；,电力电子技术是电气工程学科中目前最为活跃的分支。有人预言：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。,1.1 什么是电力电子技术-电力电子器件,开关器件IGCT驱动电路GCT,4kA/4.5kV IGCT,663A/4.5kV IGCT,GCT分解部件,1.1 什么是电力电子技术-,开关器件,1.1 什么是电力电子技术-“电力电子技术”和“电力电子学”,“电力电子技术”和“电力电子学”,电力电子学 (Power Electronics),60年代出现，1974年，美国的W. Newell用图0-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受,“,电力电子学,”,和,“,电力电子技术,”,分别从学术和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同。,1.1 什么是电力电子技术-电力电子技术和电子技术的关系,电力电子技术和电子技术的关系,电子技术,对应,电力电子技术,电子器件,电力电子,电子电路,电力电子电路,电力电子器件制造技术和电子器件（,Electronic Device,)制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同,现代电力电子器件制造大都使用集成电路（,Integrate CircuitIC,)制造工艺，采用微电子(,Micro-electronics,）制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。,1.1 什么是电力电子技术-电力电子技术和电子学,电力电子技术和电子学的关系,电力电子电路(Power Electronic Circuit）和电子电路Electronic Circuit）,许多分析方法一致，仅应用目的不同,广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路,电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路,器件的工作状态,信息电子,既可放大，也可开关,电力电子,为避免功率损耗过大，总在开关状态 电力电子技术的一个重要特征,电力电子技术与电气工程的关系,主要关系：,电力电子技术广泛用于,电气工程,（,Electrical Engineering,）中。,电力电子装置广泛用于,高压直流输电,（,HighVoltage DC Transmission,）、,静止无功补偿,(,Static VAR Compensate,)、,电力机车牵引,（,Electrical Power Motorcycle Driving,）、,交直流电力传动,(,AC/DC Power Driving,）、,电解,（,Electrolyze,）、,励磁,（,Excitation,）、,电加热,（,Electric Power Heating,）、,高性能交直流电源,（,HighPerformance AC/DC Power Supply,) 等,电力系统,(,Electric Power System,)和,电气工程,（,Electrical Engineering,）。,1.1 什么是电力电子技术-电力电子技术与电气工程的关系2,通常把电力电子技术归属于电气工程学科,电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力,电力电子技术,与控制理论的,关系,控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求,电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带,控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术,1.2,电力电子技术的发展史,电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，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。,四个阶段,史前期（1957年以前）：使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。,这段时间，各种整流、逆变、周波变流的电路和理论已经成熟并广泛应用。,晶闸管时代（195870年代）：,全控型器件时代（70年代后期）：,复合器件时代（80年代后期）：,电力电子技术的史前期,晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在：,1904年出现了,电子管,（,Vacuum tube,)，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河,后来出现了,水银整流器,（,Mercury Rectifier,），其性能和,晶闸管,（,Thyristor,）很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于,电化学工业,、电气铁道,直流变电所,、轧钢用,直流电动机的传动,，甚至用于,直流输电,。,电力电子技术的史前期2,交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今；,1947年美国贝尔实验室发明,晶体管,（,transistor,)，引发了电子技术的一场革命；,最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。,晶闸管时代（1957年开始）,晶闸管,SCR(Silicon Controlled Rectifier,),可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。,晶闸管因其电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。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。,晶闸管时代（1957年开始）2,对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。,晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现 。,目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。,全控型器件时代（70年代后期）,GTO,可关断晶闸管,以,BJT(GTR),电力双极型晶体管 为代表：,Power-MOSFET,电力场效应管,这些器件可以通过门极（或栅极、基极）控制开通和关断。,同时，这些器件可以达到的开关频率均较高。,这些器件大大推进了电力电子技术的发展。,和SCR电路的相位控制方式相对应，全控型器件电路常使用脉冲宽度调制（,PWM Pulse Width Modulation,）方式进行控制。,复合型器件（80年代后期）,以,绝缘栅极双极型晶体管,（,Insulated Gate Bipolar TransistorIGBT,）为代表,IGBT,是,电力场效应管,（MOSFET）和,双极结型晶体管,（,Bipolar Junction TransistorBJT,）的复合。,它集,MOSFET,的驱动功率小、开关速度快的优点和,BJT,通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。,与,IGBT,相对应，,MOS控制晶闸管,（,MOS Controlled TransistorMCT,）和,集成门极换流晶闸管,（,Intelligent Gate-Commutated ThyristorIGCT,）等都是MOSFET和,GTO,的复合，它们也综合了,MOSFET,和,GTO,两种器件的优点,。,1.2,电力电子技术的发展史-复合型器件（80年代后期）2,功率模块,（,Power Module,）：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。,功率集成电路,（,Power Integrated CircuitPIC,）：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代 表了电力电子技术发展的一个重要方向 。,智能功率模块,（,Intelligent Power ModuleIPM,）则专指,IGBT,及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称,智能,IGBT,（,Intelligent IGBT,）。,1.2,电力电子技术的发展史-复合型器件（80年代后期）3,高压集成电路,（,High Voltage Integrated CircuitHVIC,）,：,一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。,智能功率集成电路,（,Smart Power Integrated CircuitSPIC,）：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。,21世纪电力电子技术的前景,电力电子器件发展的目标是： 大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化。,新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术：通过谐振电路使得器件在零电压（,ZVS,）或零电流（,ZCS,）的状态下进行开关。,电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。,1.3 电力电子技术的应用,电力电子技术的广泛应用,1.3 电力电子技术的应用-一般工业1,一般工业,直流电动机（,DC Electromotor,）有良好的调速性能，给其供电的,可控整流电源,（,Controlled Rectifying Power Supply,）或,直流斩波电源,（,DC Chopping Power Supply,）都是电力电子装置,直流电动机,可控整流电源,1.3 电力电子技术的应用-一般工业2,近年来电力电子,变频技术,（,Frequency Inversion Technique,）的迅速发展，使,交流电机,（,AC Electromotor,）的调速性能可与直流电机媲美，,交流调速技术,（,AC Speed Control Technique,）大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等,交流电机,电镀装置,电化学工业大量使用直流电源（,DC Power Supply,），电解铝、电解食盐水等都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需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源（,Rectifying Power Supply,）,1.3 电力电子技术的应用-交通运输1,交通运输,电气化铁道中广泛采用电力电子技术,电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用,变频装置,（,Frequency Inverter,）。,直流斩波器,（,DC Chopper,）也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术,磁悬浮列车,1.3 电力电子技术的应用-交通运输2,电动汽车的电机靠电力电子装置进行,电力变换,（,Power Conversion,）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,（,Frequency Inverter,）和,斩波器,（,Chopper,）驱动并控制,飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术,1.3 电力电子技术的应用-交通运输3,如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来,交流变频调速,（,AC Speed Control by Frequency Variation,）已成为主流,1.3 电力电子技术的应用-电力系统1,电力系统,电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。,1.3 电力电子技术的应用-电力系统2,直流输电,（,DC Transmission,）,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。近年发展起来的,柔性交流输电,（,Flexible AC TransmissionFACTS,）也是依靠电力电子装置才得以实现的。,1.3 电力电子技术的应用6,无功补偿和谐波抑制,（,VAR Compensate and Harmonic Control,）,对电力系统有重要的意义。,晶闸管控制电抗器,（,Thysistor Controlled ReactorTCR,）、,晶闸管投切电容器,（,Thysistor Controlled CapacitorTSC,）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的,静止无功发生器,（,Static VAR GeneratorSVG,）、,有源电力滤波器,（,Active Power FilterAPF,）等新型电力电子装置具有更为优越的,无功功率和谐波补偿,（,VAR and Harmonic Compensate,）的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量,在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置,1.3 电力电子技术的应用7,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,（,DC Power Supply,）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,（,Thysistor Rectifying Power Supply,)，现在已改为采用全控型器件的,高频开关电源,（,High Frequency Switching Mode Power Supply,）。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。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。,1.3 电力电子技术的应用8,家用电器,照明在家用电器中有十分突出的地位。由于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”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯,白 炽 灯,白炽灯是第一代电光源,价格低使用方便,但发光效率低,寿命短,显色指数低.,荧 光 灯,荧光灯俗称日光灯,由低压汞蒸气放电产生紫外线激发荧光粉发光,荧光灯高效节能光色柔和是绿色光源,无 极 灯,无极灯无灯丝和电极所以寿命长.一般4-6万小时,钠 灯,金属钠作为发光物质,显色性不高只有黄色光,用于公路隧道和码头照明.效率高.,LED灯,1.3 电力电子技术的应用9,变频空调器,（,Frequency Conversion AirCondition,）,是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。,电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。,1.3 电力电子技术的应用10,其他,不间断电源,（,Uninterruptable Power SystemUPS,）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。,航天飞行器,（,Space Flight Aerocraft,） 中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术,不间断电源,1.3 电力电子技术的应用11,传统的发电方式是,火力发电,（,Thermal power,）、,水力发电,（,Waterpower,）以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种,新能源,（,New Energy,）、,可再生能源,（,Reproducible Energy,）及新型发电方式越来越受到重视。其中,太阳能发电,（,Solar Power,） 、,风力发电,（,Wind Power,）的发展较快，,燃料电池,（,Fuel Cell,）更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就,需要电力电子技术,。当需要和电力系统联网时，也,离不开电力电子技术,。,4 MW Solar Park, Hemau, Germany,太阳能光伏发电系统,风 力 发 电,燃料电池电动汽车,1.3 电力电子技术的应用12,为了合理地利用,水力发电,（,Waterpower,）资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也,离不开电力电子技术,。,核聚变反应堆,（,Nucleus Fusion Pile,）在产生强大,磁场,（,Magnetic Field,）和注入能量时，需要大容量的,脉冲电源,（,Pulse Power Supply,），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,（,Special Power Supply,），这也是电力电子技术的用武之地。,1.3 电力电子技术的应用13,以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十瓦以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。,总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。,1.3 电力电子技术的应用14,电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。,电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。,1.4 电力电子技术的主要内容,电力电子器件（第一章）,简要概述,电力电子器件,（,Power Electronic Device,）的概念、特点和分类等问题,介绍各种常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数、,驱动,（,Driving,）、,缓冲,（Snubber）、,保护,（,Protection,）、,串并联,（,SeriesParallel Connection,）等器件应用时的共性问题和基础性问题以及选择和使用中应注意的一些问题,1.4 电力电子技术的主要内容2,各种电力电子电路（第25章、第8章）,可控硅整流及其有源逆变电路,单相半波可控整流电路,（,Single-Phase Half-Wave Controlled Rectifier,）,单相桥式全控整流电路,（,Single-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier,）,单相桥式半控整流电路,（,Single-Phase Full-Bridge Semi-Controlled Rectifier,）,三相半波可控整流电路,（,Three-Phase Half-Wave Controlled Rectifier,）,三相桥式可控整流电路,（,Three-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier,）,1.3 电力电子技术的主要内容3,电容滤波的不可控整流电路,（,No Controlled Rectifier with Capacitor Filter,）,大功率可控整流电路,（High-Power Controlled Rectifier）,单相全波有源逆变电路,（,Single-Phase Full-Wave Active Inverter,）,单相桥式有源逆变电路,（,Single-Phase Full-Bridge Active Inverter,）,三相半波有源逆变电路,（,Three-Phase Half-Wave Active Inverter,）,三相桥式有源逆变电路,（,Three-Phase Full-Bridge Active Inverter,）,1.4 电力电子技术的主要内容4,直流斩波、交流电压控制、交-交变频,直流斩波电路,（,DC Chopper,）,交流调压电路,（,AC Voltage Controller,）,其他交流电压控制电路,交交变频电路,（,ACAC Frequency Inverter,）的基本原理,1.4 电力电子技术的主要内容5,无源逆变电路,无源逆变电路,（,Reactive Inverter,）的基本原理,无源逆变电路的,环流,（,Loop Current,）方式,电压型逆变电路,（,Voltage Source Type InverterVSTI,）,电流型逆变电路,（,Current Source Type InverterCSTI,）,多重逆变电路,（,Multiplex Inverter,）和,多电平逆变电路,（,Multi-Level Inverter,）,1.4 电力电子技术的主要内容6,组合变流电路,间接交流变流电路,（,Indirect ACAC Converter,）,间接直流变流电路,（,Indirect DCDC Converter,）,1.4 电力电子技术的主要内容7,PWM控制与软开关技术（第6、7章）,PWM,（,PulseWidth Modulation,）的基本原理,SPWM,（,Sinusoidal PulseWidth Modulation,）波形的生成方法,SPWM,型无源逆变电路及其控制方法,PWM,跟踪控制,（,PWM Tracking Control,）技术,软开关,（,Soft Switching,）的基本概念,软开关的基本分类,典型的软开关电路,