电力电子技术基础0-序论.ppt

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1、,Fundamentals of Power Electronics Technology,电力电子技术基础,South China University of Technology,Name:王孝洪,怎样找到我？,Address:华南理工大学3号楼123室,Tel.:,E_mail:，,怎么考核？,Power Electronics Technology,1、考试成绩：70 闭卷笔试,成绩比例：,2、平时成绩：30,包含作业、出勤和实验,用什么样的书？,张占松、蔡宣三，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1998.06,蔡宣三、龚绍文，高频功率电子学，科学出版社，1993.05,麦崇 裔

2、苏开才电力电子技术基础，华南理工大学出版社，2003.12,Jai P.Agrawal，Power Electronics Systems，清华大学出版社，2001.08,林渭勋，电力电子技术基础，机械工业出版社，1990.10,University of Colorado at Boulder，Fundamentals of Power Electronics，2001.05,王聪，软开关功率变换器及其应用，科学出版社，2001.01,李爱文，现代逆变技术及其应用，科学出版社，2000.09,黄俊、王兆安，电力电子变流技术，机械工业出版社 第三、四版,张一工、肖湘宁，现代电力电子技术原理与应

3、用，1999.3张 立，现代电力电子技术基础，高等教育出版社，1999.10赵良炳，现代电力电子技术基础，清华大学出版社，1997.7,都学什么内容？,第一部分 绪论,第二部分 电力电子器件,第三部分 电力电子变换电路,第四部分 控制策略（PWM）,第一部分 绪论,6,South China University of Technology,“电力电子技术”的定义,电力电子技术利用电力电子器件对电能进行(二次)控制与转换的技术。,电力,电子技术,电子学,电力学,控制,理论,“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。,电力电子学(Power Elec

4、tronics)名称60年代出现。,1974年，美国的W.Newell用右图的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。,技术定位：电力、电子和控制三大 电气工程技术领域之间 的交叉、综合性学科。技术目的：节能，降低材料消耗，提高生产效率。,电力电子技术的定位和目的,电子技术:信息电子技术 电力电子技术信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术。电力电子技术应用于电力领域的电子技术，使用电力 电子器件对电能进行(二次)变换和控制的技术。,有关“电子技术”,区别：信息电子技术主要用于信息处理，电力电子技术主要用于电力变换。,联系：信息电子比作脑子，电力电子比作肌肉；信息电子不仅是电力电子的合

5、作伙伴，而且也将是电力电子的主要客户,电力电子在信息电子中的应用,计算机及internet消耗电能的比例,CUP对电源的要求,电力电子技术和电子学的关系,电子学电子器件 对应 电力电子器件 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制造工艺，采用微电子制造技术，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。,电力电子电路和电子电路许多分析方法一致，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

6、。,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。,电力电子技术和电子学的关系,主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中。电力电子装置广泛用于高压直流输电、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电力系统和电气工程。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。,电力电子技术与电气工程的关系,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

7、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。,电力电子技术与控制理论的关系,*Output of 840,power plants,35%efficiency gain,Total Energy,1997:40%,2010:80%,40%,Electrical,Energy,12 billion kilowatts every hour of every day of every year,能源与电力电子,Critical Technology Category,能源,环境保护,信息、通讯,生活体系,制造,材料

8、,交通运输,航空航天电子设备交通工具的电驱动混合动力车辆,过程控制、机器人、自动控制,提高能源效率 能源储存发电、输电、配电,供电以及电源品质,Power Electronics Technologies,Source:美国总统科技顾问委员会(3/95),国家重点发展领域与电力电子的关系,1.0 x 0.32 x 0.92 x 0.80 x 0.90=0.21,1.0 x 0.87 x 0.95 x 0.16=0.13,EV,IC,交通领域的节能与环保,应用者:FordGeneral MotorsDaimler-ChryslerUS Army TACOM（坦克及机动车 辆司令部）,中央处理单元

9、控制 下的电推进,在新一代交通工具中的应用,燃料电池供电的DC/DC变换器,燃料电池汽车,FordDaimler-Chrysler,Time to market,成功的应用例子,电力电子技术的发展与应用,1960,1970,1980,1990,2000,2010,2020,2st Industrial Revolution,THE POWER ELECTRONICS EVOLUTION,1960,1970,1980,1990,2000,2010,2020,IntegratedCircuit,8-Bit Microprocessor,Avionics,Thyristor,GTO,Si Trans

10、istor,BipolarTransistor,PowerMSFET,IGBT,MCT,ASD,SIC,Hybrid&electricCars,HVACCustom Power,ComputerWireless,电力电子技术的发展与应用,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。电力电子技术的诞生 1957年美国通用电气公司研制出第一个 晶闸管为标志。,电力电子技术的发展史,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，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电

11、，从而开了电子技术之先河。后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。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以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。,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。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。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，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

12、。,电力电子技术的发展史,电力电子技术的发展史,晶闸管因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，且其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，因而属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。,80年代后期开始 复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表IGBT是MOS

13、FET和BJT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（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。,电力电子技术的发展史,模块：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：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

14、发展的一个重要方向。,电力电子技术的发展史,在一般工业中的应用,空调系统,自动传输带,起重设备,风机,接触器、断路器,干燥箱,电熔炉,电磁铁,电镀、电解,电子点火器,电梯,电机励磁,感应加热,激光电源,电机驱动、控制：,石油钻探、开采,UPS,压缩机,温控系统,焊机,超声波发生器,泵,直流电弧炉,在航空航天、交通运输领域的应用,太空飞船电源系统,太空空间站电源系统,卫星电源系统,电动汽车：,电机驱动控制,电池充电与管理,控制电机,电力机车,磁悬浮机车,飞机、舰船电源,安全报警系统,音频、射频放大器,在通讯领域的应用,太阳能电源系统,超低频发射器,通讯基站电源系统,在电力领域的应用,高压直流输电

15、,柔性交流输电,有源电力滤波器（APF）,交直流操作电源,太阳能发电,风力发电,抽水储能发电,核能发电脉冲电源,超导储能直流电源供电,在工作、生活、娱乐方面的应用,音频、视频系统,微波炉,冰箱,空调,游戏、电动玩具,洗衣机,电风扇,搅拌器,霓虹灯,电动工具,照片冲印,高压钠灯、金卤灯,自动柜员机,节能灯,计算机,21世纪电力电子技术的前景,20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，而电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机的作用比做人脑。电力电子技术可比做人的消化

16、系统和循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网等的“粗电”变成“精电”），再由循环系统把转换后的能量传送到大脑和全身。电力电子技术连同运动控制一起，可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动。21世纪中将会起十分重要的作用，有十分光明的未来。,Source:Microtech/IEEE,电力电子的市场,国内电源（电子电源）的市场,开关电源,通信领域 大约 50亿,不间断电源（UPS）,其他电源,其他用电设备的开关电源,150亿之上,大约 50亿,国内市场上的电源企业,国内,华为电气 爱默森网络能源（60亿）,港台,国外,中兴通讯,烟台东方电子、朝阳电源,武汉洲际通信电源、广州珠江电源,UPS

17、,通信电源,山特、APC、爱克赛、梅兰日兰、三菱,爱立信、VICOR、朗讯、西门子、新电元,台达,其他,通用电气、菲利普照明,“电力电子研究基金”和奖学金,东莞、上海、天津、昆山、吴江 工厂,上海电力电子研发中心,END!,定义电源：利用电能变换技术，将市电或者电池等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电能的系统或者装置。开关电源：广义的讲，凡是利用功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态的主电路都叫开关变换电路；转变时，用自动控制方法闭环稳定输出，并有保护环节，则称为开关电源（Switching Power Supply）。,第一个例子开关电源,线形电源原理图,线性电源稳压、调压

18、波形图,线性电源的原理,缺点：1、有工频变压器，体积大，重量沉；2、滤波元件比较大；3、电压调节范围比较小；4、损耗比较大，效率较低。解释：在交流正弦电路中，电感元件的感抗、电容元件 的容抗分别为：由以上两式可以看出，在电路中，感抗、容抗的大小，不仅取决于电感、电容值的大小，同电路的工作频率也直接相关。当电路中其它参数确定，在选择感抗、容抗的情况下，工作频率越高，则电感、电容值则越小，随之，电感、电容的体积、重量也将大大减小。,线性电源的缺点,若容器的排水泵一个小时排水1立方米。为保证排水泵能匀速排水，若容器一个小时注水一次，那么，一次需要注水1立方米，容器的容积同时也需要1立方米；如果一小时

19、注水10次，则容器仅需0.1立方米。,电容的容量与工作频率的关系,以下为变压器的基本公式：,U 表示加在变压器绕组上的电压（V）；K 为波形系数，正弦波取4.44，方波为4;F 为工作频率(Hz)；N 为变压器绕组线圈匝数；S 为变压器铁芯的有效横截面积（平方米）；Bm 为铁芯工作的最大磁通密度（T）。由上式可知，当U、K、Bm都不变时，NS与f成反比，,由此可以看出，当工作频率提高时，变压器的体积和重量将大大减小。,变压器与工作频率的关系,晶体管静态特性,晶体管工作状况与损耗的关系,晶体管的开关特性,经过以上分析可知，若想提高电源的效率，同时减小电源的体积和重量，通过以下两个途径，将有所改观

20、：1、使半导体功率器件工作在开关状态。2、提高电源工作频率；再回首看看开关电源的定义：凡是利用功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态的主电路都叫开关变换电路；转变时，用自动控制方法闭环稳定输出，并有保护环节，则称为开关电源。在开关电源中，功率管工作在开关状态，满足了上边的第一个条件。同时，由于开关频率可以控制，因此，提高电源的工作频率也变得可以实现了。,线性电源的解决出路,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,参考书目,第二部分 电力电子器件,6,功率开关器件：功率二极管、SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IPM,无源器件：电容、电感、变压器、磁性材料,功率器件的驱动、缓冲、保护电路,第1章,第4章,第二部分 电力电子器件,第三部分 电力电子变换电路,6,DC-DC变换器,DC-AC变换器,谐振变换器（软开关）,AC-DC变换器,AC-AC变换器,第2章,第3章,第5章,第6、7章,第9章,第四部分 电力电子控制策略,变换器的动态模型平均电路模型,线性化模型,状态空间平均模型,反馈控制,新型控制策略,脉宽调制技术（PWM）,第8章,