电力电子技术概论.ppt

制作: 廖冬初 湖北工业大学 聂汉平 长江大学 刘晓红 湖南大学 刘小兰 郑州大学 2007-8-1 电力电子技术 Power Electronics 目 录 1 电力电子技术概 论 2 电力电子器件 3 DC/DC变换技术 4 DC/AC变换技术 6 AC/AC变换技术 5 AC/DC变换技术 7 软开关技术 结束 概 要 电力电子技术主要研究如何利用电力 电子器件高效实现电能的变换与控制的问题. 本课程是电气工程及其自动化专业、 自动化专业的一门专业基础课，主要介绍 典型电力电子装置的电磁现象、基本工作 原理、控制技术、设计与计算方法等. 1 电力电子技术概论 1-1 电力电子技术的概念 1-2 电力电子技术的主要研究内容 1-3 电力电子技术发展概况 1-4 电力电子技术的应用 1-5 课程教学计划 返回 1-1 电力电子技术的概念 模拟电子技术 1-1-1) 信息电子技术 数字电子技术 如收音机、电视机中的调谐电路， 信号测量中的滤波、放大电路 如对输入信号进行加法运算的数 字电路等 信息电子技术提取、识别、处理小功 率电信号中包含的信息， ? 1-1 电力电子技术的概念 1-1-2) 电力电子技术 变频装置 将电网输入的交流电变换为直流电 的装置,如同步电动机的直流励磁电 源,直流弧焊电源 将电网输入的交流电变换为不同 频率的交流电,如变频调速装置 处理信息 ? ? 电源装置 1-1 电力电子技术的概念 电力电子技术高效地将输入电能变换为 期望的另一种形式的电能 直流电源、变频电源等装置的目 的就是对电能本身进行变换、控制 变换后输出的是另一种形式的电 能输出电能更有效更方便使用 上述装置特点: 1-1-3) 电力电子技术的特点 输入电功率 输出电功率 反馈信号 功率变换 主电路 负载 控制电路 参考信号 电力电子装置的典型结构 1-1 电力电子技术的概念 1-1 电力电子技术的概念 1-1-3) 电力电子技术的特点 以大功率电子器件为核心 反馈信号的获取、控制电路的物理实 现都会涉及电子技术 按照一定的控制规律，确定对主电路 中大功率电子器件导通与关断的控制。 以电能的变换与控制为研究对象 1-1 电力电子技术的概念 1-1-4) 电力电子技术的学术地位 电力电子技术是交叉学科 电力 电子学 电子学电力学 控制 理论 连续、离散 电路、器件 静止器、旋转电机 1974年美国学者 W.Newell指出，电力 电子技术是由电气工程 三大领域：电力技术、 电子技术与控制理论结 合形成的交叉学科。 1-1 电力电子技术的概念 1-1-4) 电力电子技术的学术地位 电力电子技术归属于电气工程学科 电力电子技术广泛用于电气工程。如 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、电机励磁、 电加热、高性能交直流电源等。 1-1 电力电子技术的概念 1-1-4) 电力电子技术的学术地位 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。 电力电子装置广泛应用于基于控制理论的 自动化系统，是自动化的基础元件和重要支 撑技术。 国际电工委员会将电力电子学科命名为 “Power Electronics” 1-1 电力电子技术的概念 1-1-4) 电力电子技术的学术地位 电力电子技术与电力电子学并无实质的 不同，只不过前者从工程技术角度而后 者从学术角度来称呼所研究的学科。 中文直译为“电力电子学” 返回 1-2 电力电子技术的主要研究内容 1-2-1 电力电子器件 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 主要研究内容 1-2-3 电力电子装置与应用 1-2-1 电力电子器件 1-2 电力电子技术的主要研究内容 电力电子器件与信息处理用电子器件的制造 依据相同的理论基础。制造工艺不同. 电子器件: 学过的有二极管三极管等 电子器件的理论基础是半导体物理。 电力电子器件的制造技术是 电力电子技术发展的基础 电力电子器件特点 涉及功率范围大数百瓦到数百千瓦 工作在开关状态 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 电能具有直流、交流两种基本形式 实现电能变换的电力电子电路基本形式: 交流-直流变换（AC/DC变换） 直流-交流变换（DC/AC变换） 直流-直流变换（DC/DC变换） 交流-交流变换（AC/AC变换） 电力电子技术的重要内容是研究实现 这些变换的电路结构及其工作原理 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 DC/DC变换是直流到直流的变换， 称为斩波。相应的装置称斩波器。 如直流电机斩波调速装置，太阳能发 电装置中使用的直流电压升压电路。 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 如计算机房使用的不间断电源（UPS）就 是一种恒频输出的逆变器，交流电机调速 使用的变频器是输出频率可调的逆变器。 DC/AC变换与整流过程相反，是将交流 变换为直流的变换，这种变换称为逆变。 相应的装置称为逆变器。 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 AC/DC变换是将交流变换为直流的变换 ，这种变换称为整流。相应的装置称为整 流器。 采用晶闸管的相控整流装置应用很广：直 流调速用整流电源、同步电机励磁电源、 卫星地面接收站使用的直流电源等。 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 如计算机房使用的不间断电源（UPS）就 是一种恒频输出的逆变器，交流电机调速 使用的变频器是输出频率可调的逆变器。 DC/AC变换与整流过程相反，是将交流 变换为直流的变换，这种变换称为逆变。 相应的装置称为逆变器。 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 AC/AC变换实现对交流电参数进行变换 。 对电压有效值进行调节的称为交流调压 如有些温度控制系统就是采用调压来 控制发热元件所输出的功率. 将50HZ工频电直接变换为其它频率交流 电的过程称为交交变频，相应的变流装 置称为周波变换器。 周波变换器广泛应用于低频、大功率交流调速 。 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 电力电子电路的控制技术可分为相位 控制与脉冲宽度调制（PWM）两大类 相位控制技术通过控制电力电子器件在 一开关周期中开通的时刻来调节输出电能 -相位控制主要用于晶闸管电路 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 PWM控制技术通过直接控制在一 开关周期中电力电子器件导通与关断 的时间比例来调节输出电能 PWM技术主要用于应用全控器件的 电力电子电路。 PWM技术已成为电力电子电路中应 用的主流控制方法。 电力电子电路中的大功率电子器件工作在开 关状态，这种开关型的电路属于非线性电路。 1-2-2 电力电子电路及其控制技术 1-2 电力电子技术的主要研究内容 电力电子电路分析方法 对电力电子电路分析的基本方法是采用分 段线性分析，即将电力电子电路在不同时段 采用不同的线性电路来模拟，进而利用线性电 路理论进行分析。 电路理论是电力电子电路研究的基础 返回 1-3 电力电子技术发展概况 电力电子技术的发展和电力电子器件 发展密切相关 .黎明期(1904-1957) .晶闸管时代（1957年21世纪70年代 ） .全控器件大发展阶段（1970以来） .功率集成电路的兴起（1980年代末以来） 1-3 电力电子技术发展概况 电力电子技术的发展阶段 返回 1-4 电力电子技术的应用 促进电能的最佳利用 1-4-1 电力电子技术的重要作用 改造传统产业 发展机电一体化等新产业 电力电子技术在国民经济中具 有十分重要的地位 1-4-1 电力电子技术的作用 电网供电的形式是固定的，而用电设备对 电能形式的要求是多种多样的。为了合理 高效地利用电能，通常在用电设备的前端 对电能形式进行变换与处理。 促进电能的最佳利用 现在发达国家电能的75要经过电力电 子变换或控制后使用，我国经过变换或控 制后使用的电能目前仅占30，利用电 力电子技术使用电能的发展余地还很大。 1-4-1 电力电子技术的作用 改造传统产业 应用电力电子技术改造传统产业，具有明显的 节能、节材、改善产品性能等效果。 如:风机、水泵用变频调速运行，则降速10% 节电可达约30%，节能十分可观。 如:变压器的铁芯截面积与其供电频率成反比 ，因此采用高频逆变技术的电源装置的铁芯 材料的使用比工频整流装置要少得多，如逆 变式电焊机比工频交流和直流弧焊机节电30 40，省材约75%。 如:太阳能发电中须利用DC-DC变换装置将 太阳能电池输出的电能充电给蓄电池，再用 DC-AC变换装置将蓄电池储存的电能变换为 交流电供用电设备使用或传输给电网。 1-4-1 电力电子技术的作用 发展机电一体化等新产业 航天、激光、电动汽车、机器人、新能 源（太阳能、风能、燃料电池）等领域 都和电力电子技术有着密切关系。 电力电子装置可分为两大类： 1-4-2 电力电子技术的应用 电力电子补偿控制器 负载是电网本身，主要作用是改善电网质量 电力电子变换电源 .将电网电能变换为负载所需的电能形式供负 载使用 .将其他形式的电能变换为工频电送给电网 1-4-2 电力电子技术的应用 电力电子变换电源的主要应用领域有： 1、 直流开关电源 2、 恒频、恒压逆变电源 3、 一般工业中电力传动用电源 4、 电力系统应用 5、 交通运输如电力机车、电动汽车应用 6、 中高频感应加热电源 7、 电解、电镀用低压大电流电源 8、 其它应用如超导储能核聚变反应堆 用大容量的脉冲电源 返回 1-5 课程教学计划 电力电子技术是电气工程及其自动化 专业、自动化专业的一门专业基础课， 主要研究各类变流装置的电磁现象、基 本工作原理、控制技术、设计计算方法 及技术经济指标。 教学学时：56 其中，主讲：46学时 实验：10