电力电子技术第1章绪论.ppt

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1、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

2、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

3、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：

4、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

5、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

6、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

7、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（IGB

8、T）,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

9、,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

10、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,