第1章电力电子技术绪论

1,电力电子技术PowerElectronics,ByLIWen-leiCollegeofInformationScience短号：612298,注：1.当次未交作业的需要在下一次交作业时补交（重修、自学+辅导除外），平时成绩公示后作业无特殊原因不能再补交和更改；2.当次未作实验的如当周有另一组做实验的可以补，下一周因器材换了不能补，,6,1什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用,绪论,7,1.1电力电子与信息电子1.2两大分支1.3与其他学科的关系1.4地位和未来,1什么是电力电子技术,8,信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。,电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。,1.1电力电子与信息电子,9,变流技术（电力电子器件应用技术）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。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。,1.2两大分支,电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。,10,电力交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。,电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流,表1电力变换的种类,进行电力变换的技术称为变流技术。,1.2两大分支,变流技术,11,电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现。1974年，美国的W.Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。,图1描述电力电子学的倒三角形,1.3与相关学科的关系,12,都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。二者同根同源。,与电子学（信息电子学）的关系,1.3与相关学科的关系,13,1.3与相关学科的关系,电力电子技术广泛用于电气工程中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、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。,与电力学（电气工程）的关系,14,控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。,与控制理论（自动化技术）的关系,1.3与相关学科的关系,15,电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。,1.4地位和未来,16,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。,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),2电力电子技术的发展史,该设备被包于蒜头型玻璃容器或大金属桶。一个阴极淹没在水银池的底部，多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。当电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时，电子束将可藉电离化的水银，由阴极流向阳极，但无法反向。这些设备可用于数百千瓦等级的功率。从1970年代中期起，被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。,17,一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置,3.1电力电子技术的应用,18,轧钢机,数控机床,冶金工业,电解铝,1）一般工业,3.1电力电子技术的应用,19,2）交通运输,3.1电力电子技术的应用,20,3）电力系统,SVC,高压直流装置HVDC,柔性交流输电FACTS,3.1电力电子技术的应用,21,3.1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）,22,4）电子装置用电源,程控交换机,电子装置,微型计算机,3.1电力电子技术的应用,23,5）家用电器,3.1电力电子技术的应用,24,6）其他,大型计算机的UPS,航天技术,新型能源,3.1电力电子技术的应用,25,电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。,3.2电力电子技术的应用示例,26,Industrialapplications-MotorDrive,直流电动机（DCElectromotor）有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源（ControlledRectifyingPowerSupply）或直流斩波电源（DCChoppingPowerSupply）都是电力电子装置,直流电动机,可控整流电源,27,近年来电力电子变频技术（FrequencyInversionTechnique）的迅速发展，使交流电机（ACElectromotor）的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术（ACSpeedControlTechnique）大量应用并占据主导地位。如几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等。,交流电机,Industrialapplications-MotorDrive,28,+Electrolysis(电解)+Electroplating(电镀)+Inductionheating(感应加热)+Welding(焊接)+Arcfurnacesandovens(电弧炉)+Lighting(照明),Industrialapplications,电化学工业大量使用直流电源（DCPowerSupply），如电解铝、电解食盐水等。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需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源（RectifyingPowerSupply）,29,+Trainslocomotives+Subways+Trolleybuses(有轨汽车)+Magneticlevitation+Electricvehicles(电动飞行器)+Automotiveelectronics(汽车电子)+Shippowersystems+Aircraftpowersystems,Transportationapplications,30,Transportationapplications,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（FrequencyInverter）。直流斩波器（DCChopper）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,磁悬浮列车,31,Transportationapplications,电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换（PowerConversion）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（FrequencyInverter）和斩波器（Chopper）驱动并控制.飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术,32,Transportationapplications,如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速（ACSpeedControlbyFrequencyVariation）已成为主流.,33,Utilitysystemsapplications,高压直流输电（HVDCTransmission）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。近年发展起来的柔性交流输电（FlexibleACTransmissionFACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。,34,Utilitysystemsapplications,无功补偿和谐波抑制（VARCompensateandHarmonicControl）对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（ThysistorControlledReactorTCR）、晶闸管投切电容器（ThysistorControlledCapacitorTSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（StaticVARGeneratorSVG）、有源电力滤波器（ActivePowerFilterAPF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿（VARandHarmonicCompensate）的性能。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,35,Powersuppliesforelectronicequipment(电子装置用电源),不间断电源,（UninterruptablePowerSystemUPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。,UPS主要分为两大类三种形式：一类是后备式，另一类是在线式，还有一种介于两者之间的在线互动式。,36,Powersuppliesforelectronicequipment(电子装置用电源),线性电源与开关电源,从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹较小，自身的干扰和噪声都比较小，但因为工作在工频,变压器的体积比较大,效率偏低(一般满载工作的效率只有80%左右)整体体积较大，显得较笨重，且输入电压范围要求高；而开关电源是工作的高频状态,变压器的体积比较小,相对比较轻便,但是输出纹波较线性电源要大,但因结构简单,成本低,效率高(市面上的开关电源的效率也可达90%以上)在很多场合已经替代了线性电源,是未来电源发展的趋势。,37,Residentialandhomeappliances,照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯,白炽灯是第一代电光源,价格低使用方便,但发光效率低,寿命短,显色指数低.,节能灯高效节能光色柔和是绿色光源,LED,38,Residentialandhomeappliances,39,市电源由VD1VD4整流、C1滤波后形成300V左右的直流电压。由R6、C3、VD9组成启动电路，由T1、T2、C4、C2、高频变压器和L组成高频自激振荡电路，T1、T2在高频变压器控制下周而复始地导通截止，形成高频振荡，使灯管得到高频高压供电。为了满足启动点亮灯管所需的电压，电路设置了主要由C2和L等元件组成的串联谐振电路。VD6、VD7的作用分别是防止反向峰值电压击穿T1、T2。R3、R4为负反馈电阻，用于T1、T2的过流保护。,节能灯原理-节能灯原理图,40,220V电源供电,220V交流电经C1降压电容降压后经全桥整流再通过C2滤波后经限流电阻R3给串联的38颗LED提供恒流电源.LED的额定电流为20mA,LED灯原理图,41,变频空调器（FrequencyConversionAirCondition）是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。,Residentialandhomeappliances,42,传统的发电方式是火力发电（Thermalpower）、水力发电（Waterpower）以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源（NewEnergy）、可再生能源（ReproducibleEnergy）及新型发电方式越来越受到重视。为了合理地利用水力发电（Waterpower）资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。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。,NewEnergygenerationapplications,43,4MWSolarPark,Hemau,Germany,SolarenergyPVpowergenerationsystem,44,Windpowergeneration,45,电力电子技术的应用,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，