电力电子技术第1章绪论.ppt
1,电力电子技术基础,国海峰,2,第一章 绪论,1.1 什么是电力电技术 1.2 电力电子技术的发展史.1.3 电力电子技术的应用,3,1.1 什么是电力电子技术,1.1.1 电力电子技术的概念 电力电子技术-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。,4,5,从工程的对象和内容及手段几方面理解:,对象:能量中的电能 内容:对电能的变换和控制 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?,1.1.2 电力电子技术定义,使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。,6,例1.1: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。,图1.1 电车的调速方式,7,例1.2:自然能发电(太阳能和风能)在采用自然能发电时,必须控制变化的发电功率。,图1.2 太阳能发电能量流程,图1.3 风能发电能量流程,8,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,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?,9,电能变换的基本原理,变换类型1:AC-DC 利用S1S4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。,图1-4 AC-DC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效率,应采用开关型变换器。因为器件只有工作在开关状态,才能降低变换过程中的电能损耗。,单方向直流,图1-4 AC-DC电路结构与波形,10,利用S的导通和关断,控制负载上的直流电压。,图1-5 DC-DC电路结构与波形,变换类型2:DC-DC,平均电压改变,11,利用S1S4的导通与关断的组合,将负载电压值控制在正负范围。同时,可控制负载上交流电压的频率。,图1-6 DC-AC电路结构与波形,变换类型3:DC-AC,交变电压,12,控制S1,S2开关导通的时间,可控制交流电压大小。,图1-7 AC-AC电路结构与波形,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4:AC-AC,13,.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1-8 斩波电路结构与波形,14,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:机械开关:(1)和(2)-yes,(3)和(4)-no半导体开关:(3)和(4);(1)和(2)-yes,15,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,16,电力电子器件的种类,按照其控制通断的能力分类:不控型、半控型和全控型。,17,18,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。,本课程的重点是变流技术。,(1)研究内容包括两大分支:,1.1.7.电力电子技术的特点,19,电力电子技术是应用在电力变换领域的电子技术。,(2)与电子技术的关系,20,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,21,1.2 电力电子技术的发展史,图1-9 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。,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。,22,1904年-电子管,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。1947年-晶体管(贝尔实验室),引发了电子技术的一场革命。,晶闸管出现前-史前期或黎明期。,23,晶闸管时代,电气性能,控制性能,水银整流器,旋转变流机组,取代,电力电子技术的概念和基础,晶闸管特点,半控型器件,相控方式,应用局限性,产生,24,全控型器件和电力电子集成电路(PIC),70年代后期,门极可关断晶闸管(GTO),电力双极型晶体管(BJT),电力场效应晶体管(Power-MOSFET),(全控型器件),控制方式,脉冲宽度调制(PWM),在80年代后期,绝缘栅极双极型晶体管(IGBT),MOS控制晶闸管(MCT),集成门极换流晶闸管(IGCT),25,电力电子器件,驱动、控制、保护电路,电力电子集成技术,单片集成技术,混合集成技术,系统集成技术,软开关技术,开关损耗,功率密度,电力电子集成电路(PIC),26,电力电子技术的应用范围十分广泛,一般工业,交通运输,电力系统,通信系统,新能源系统,家用电器,1.3 电力电子技术的应用,无处不在,27,一般工业中应用,交直流电动机调速,变频调速,软起动装置,电化学工业,电解铝,电镀,冶金工业,感应加热,淬火电源,目的?,要求?,要求?,28,图1-10 AB变频器,29,交通运输中应用,电气化铁道,直流机车,整流装置,交流机车,变频装置,直流斩波器,磁悬浮列车,电动汽车,电力变换和驱动控制,蓄电池的充电,30,电力系统中应用,直流输电,(长距离大容量输电),送电端的整流阀,受电端的逆变阀,柔性交流输电,无功补偿或谐波抑制,(电能质量控制),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,交直流操作电源,31,图1-11 中国南方电网公司 安顺换流站,图1-12 静止无功发生器(上)和 晶闸管投切电容器(下),32,无功补偿装置,33,800kW电能补偿装置,34,电子装置用电源,各种电子装置-直流电源供电。程控交换机-高频开关电源。微型计算机电源-高频开关电源。大型计算机等场合-不间断电源(Uninterruptible Power Supply_ UPS)(典型的电力电子装置),35,电力电子照明电源-逐步取代白炽灯和日光灯。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。,家用电器,36,电子镇流器,37,70w电子镇流器元件面,38,70w电子镇流器焊接面,39,图1-13 风场,新能源中应用,风能、太阳能发电,缓冲能量和改善电能质量,电力系统联网,核聚变反应堆,大容量的脉冲电源,产生强大磁场,40,据统计70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。,电力电子技术是电气工程领域的新学科和迅速发展的朝阳产业。,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。,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。,应用小结,结束,