电力电子幻灯片

1、1,电力电子技术,主编：王兆安 刘进军,第五版,授课教师：姬宣德（15937920964）,2,本课程与专业的关系,学科（专业）分类的方法 高中生：文科、理科； 大学生： 文科专业：中文、历史、社科、管理； 理科专业：物理、化学、数学； 工科专业：电气工程、自动化、计算机、 材料、机械；,3,本课程与专业的关系,学科（专业）分类的方法 研究生： 工科学科（一级学科）： 电气工程学科 自动化学科 计算机学科 材料学科 机械学科,4,本课程与专业的关系,学科（专业）分类的方法 研究生： 电气工程学科（一级学科）： 1：电力电子与电力传动（二级学科）；与本课程有关 2：电力系统及其自动化（二级学科）；电气工程及其 自动化专业 3：电机与电器（二级学科）； 4：高电压与绝缘技术（二级学科）； 5：电工理论与新技术（二级学科）；,5,本课程与专业的关系,学科（专业）分类的方法 研究生： 自动化学科（一级学科）： 1：控制理论与控制工程（二级学科）；自动化专业 2：检测技术与自动化装置（二级学科）； 3：模式识别与智能系统（二级学科）； 4：系统工程（二级学科）； 5：导航、制导与控制（二级学科）

2、；,6,自动化专业学生考研，最可能考的专业： 控制理论与控制工程（双控专业） 电气工程及其自动化专业学生考研，最可能考的专业： 电力电子与电力传动（双电专业） 电力系统及其自动化 以上三个专业都与电力电子技术课程有着紧密的联系。它们的发展都离不开电力电子技术的发展。,7,第一章 绪 论,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 本教材的内容简介,8,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术的定义： 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。,9,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术的内容： 1)电力电子器件 制造技术是电力电子技术的基础； 理论基础是半导体物理。 2）变流技术 变流技术是电力电子技术的核心； 理论基础是电路理论； 电力电子技术是弱电控制强电的技术， 控制理论则是实现这种技术的一条纽带。,10,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术的种类： 1）交直 整流 2）直交 逆变 3）交交 （1）交流电力控制 ，调压不调频

3、（2）变频电路 ，调压又调频 4）直直 （1）直接：斩波电路 ，粗变 （2）间接：开关电源 ，细变,11,1.1 什么是电力电子技术,电力电子学与电力电子技术名称的区别： 1）电力电子学是学术角度的称呼； 2）电力电子技术是工程技术角度的称呼；,12,1.1 什么是电力电子技术,电力电子学与其他学科的关系 一、电力电子学与电子学的关系 同根同源： 它们的器件对应，它们的电路对应； 制造技术一样； 理论基础一样； 分析方法一样。,13,1.1 什么是电力电子技术,电力电子学与其他学科的关系 二、电力电子学与电力学的关系 电力学在我国指的是电气工程，通常把电力电子技术归属于电气工程学科，它是电气工程学科的一个最为活跃的分支。 “电力电子技术不断给力电气工程”是电气工程这一相对古老学科保持活力的重要源泉。,14,图1-2 电气工程的双三角形描述,图1-2为描述电气工程的外部关系与内部关系， 1）大三角形为外部关系 （1）与信息科学，电力需要信息技术； （2）与能源科学，电力是能源的一种。 2）小三角形为内部关系 （1）电工理论，理论基础； （2）电工制造，作为载体； （3）电力系统，运行控制

4、。,15,1.1 什么是电力电子技术,电力电子学与其他学科的关系 二、电力电子学与电力学的关系 在电气工程的五个二级学科中，电力电子技术处在十分特殊的地位。其他四个二级学科的发展都有赖于电力电子技术的发展。,16,1.1 什么是电力电子技术,电力电子学与其他学科的关系 三、电力电子学与控制理论的关系 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。 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，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。 因此，电力电子技术是电力、电子和控制技术结合的产物。,17,1.2 电力电子技术的发展史,电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展史为主线的,18,第一阶段，史前期(1957之前)晶闸管出现之前 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

5、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,19,第二阶段，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,20,第三阶段，全控型器件和电力电子集成电路 70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管 （BJT）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

6、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，以绝缘栅极双极型晶体管（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,21,第三阶段，全控型器件和电力电子集成电路 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,22,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

7、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。,1.3 电力电子技术的应用,23,一般工业 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,24,图 ABB变频器,25,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。直流 斩波器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。 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

8、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,26,电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能 至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 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。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS） 也是依靠电力电子装置才得以实现的。 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。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,27,1.3 电力电子技术的应用,中国南方电网公司安顺换流站,静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）,28,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

9、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,29,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，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 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。 其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器 也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来 起动和调速。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。,1.3 电力电子技术的应用,30,1.3 电力电子技术的应用3132ban,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。 核聚变反应堆在产生强大磁场和 注入能量时，需要大容量的脉冲电 源，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，这也是电力电子 技术的用武之地。,风场,31,1.3 电力电子技术的应用,第一版：半导体变流技术 第二版：半导体变流技术 第三版：电力电子变流技术 第四版：电力电子技术 第五版：电力电子技术,32,电力电子器件 器件，第二章； 驱动、控制、保护以及串并联，第九章。 电力电子电路 交直，第三章； 直交，第四章； 直直，第五章； 交交，第六章；,1.4 本教材内容简介和使用说明,33,控制技术 PWM技术，第七章； 软开关技术，第八章。 电力电子装置 变频器及调速系统、UPS、开关电源、 功率因数校正、电力系统应用、其他应用，第十章。,1.4 本教材内容简介和使用说明,34, 学习此门课程的前提与后续 前提课程，电路、电子技

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