电力电子技术ppt第1章

1、电力电子技术 Power Electronics,课程网址：,授课教师： 杨玲玲 讲师 联系方式：E-Mail: 505049,第一章 电力电子技术的发展,1.1 电力电子技术的含义,1.2 电力电子设备的特性,1.3 电力电子技术的发展史,1.4 电力电子技术的发展方向和前景,下 页,上 页,返 回,电力电子技术,根据电力电子器件的特性，采用一种有效的静态变换和控制方法，将一种电能形式转换为另一种电能形式的技术。,电气和电子器件的有效使用 线性与非线性电路的理论分析 控制理论的应用 成熟设计方法的使用,第一章电力电子技术的发展,1.1 电力电子技术的含义,第一章电力

2、电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,电力电子技术的正确应用,使用先进的分析工具，研究其控制系统的性能,指避免使用需要周期性维护或替换的旋转器件。,高可靠性,不使用质量不高、性能不稳定，时限很短的器件。,高实用性,第一章电力电子技术的发展,下 页,返回,电力电子类似于微电子学技术，都是基于硅材料应用科学的一个分支，采用硅分子渗透技术。,电能量,交流电,直流电,电磁辐射,脉冲,激光束,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性，以及电力应用中新技术有效性。 电力电子成本的核心是功率器件的特性，特别是它的导通损耗、开关损耗、和开关速度。 “电力电子集

3、成”是电力电子技术发展的新阶段。 电力电子技术代表了新型电能控制发展的基本趋势和革命性的概念。,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。,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,补充：王兆安教材,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

4、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。, 电力电子技术的两大分支,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。,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,电力电子学 (Power Electronics)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。,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,图1 描述电力电子学的倒三角形, 与相关学科的关系,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,都分为器件和应用两大分支。 器件的材料

5、、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, 与相关学科的关系,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,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, 与相关学科的关系,第一章电力电子技术的发展,下

6、 页,上 页,返 回,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, 与相关学科的关系,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,1.2 电力电子设备的特性,电力电子设备,电力电子控制器 静止功率变换器 功率调节器,目的,处理电气意义上的功率,功能,控制交流或直流电源与一个或者多个需要此交流或直流电源的负载之间的功率的传输。,下 页,上 页,返 回,交直流电流变换器,功率调节

7、器,第一章电力电子技术的发展,功率传输由接在变换器终端的电阻组成的一个或多个负载的需要决定。,下 页,上 页,返 回,第一章电力电子技术的发展,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。,表1 电力变换的种类,进行电力变换的技术称为 变流技术。,变流技术,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,下 页,上 页,返 回,1.AC /DC变换,把交流电压变换成固定或可调的直流电压。,四大类电力电子功率变换设备,第一章电力电子技术的发展,AC /DC变换,整流,把交流电压变换成固定或可调的直流电压的装置。,整流器,下 页,上 页,返 回,2

8、.DC /AC变换,第一章电力电子技术的发展,把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电 。,DC /AC变换,逆变,有源逆变,无源逆变,交流输出接电网,交流输出接负载,无源逆变装置的输出,恒频电源 不间断供电电源 变频电源,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,用于各种变频电源、中频感应加热和交流电动机的变频调速等场合。,下 页,上 页,返 回,3.AC /AC变换,把固定或变化的交流频率、电压变换成可调或固定的交流频率、电压 。,第一章电力电子技术的发展,AC /AC变换,AC /AC变换电路,变频器,周波变换器,用于交流电动机的变频调速。,第一章电力电子技术的发展,下 页,上

9、 页,返 回,4.DC /DC变换,把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压 。,DC /DC变换,直流斩波,把交流电压变换成固定或可调的直流电压的变换器 。,斩波器,脉宽调制变换器,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,主要用于直流电压变换、开关电源、电车、地铁、矿车等电气机车上所用的直流电动机的牵引传动以及计算机、通信和各类仪器仪表的电源等。,下 页,上 页,返 回,1.3 电力电子技术的发展史,电力电子技术迅速发展，与全球能源、环境等问题息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度的标准。能源消耗带来的环境污染和安全问题已成为社会的主要问题。 利用电力电子技术可以有效地节

10、约能源。节约能源不仅带来经济效益，也为减少环境污染带来了利益。,第一章电力电子技术的发展,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,返 回,内燃机,感应电动机,直流电机,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,晶体管,晶闸管,集成电路,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,功率放大器,磁放大器,第一章电力电子技术的发展,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,电力电子技术史前期,水银整流器,闸流管,金属封装水银整流器,电子管,硒整流器,电真空器件,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,晶体管引发了电子技术的一场革命。 最先用于

11、电力领域的半导体器件是硅二极管，普通半导体整流器开始使用。 晶闸管使电力电子技术进入了功率领域： 1）电力变换能力有了大幅度的突破； 2）实现了弱点对强电变换电路的控制； 3）变流装置由旋转方式变为静止方式，效率提高、体积缩小、寿命延长、噪声消除、维护方便。,传统电力电子技术阶段第一代电力电子器件,下 页,上 页,返 回,半导体器件的发展,变换器拓扑结构,PWM技术,分析及仿真方法,控制和估算技术,计算机,数字信号处理,集成芯片,硬件和软件控制,电力电子的发展,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,逆导晶闸管（RCT）,快速晶闸管（FST）,双向晶闸管（TRIAC）,双向晶闸管（T

12、RIAC）,第一章电力电子技术的发展,晶闸管派生器件,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,必须用强迫换相电路关断它，使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低及可靠性下降； 器件的开关频率难以提高，限制了它的应用范围； 相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波，不但电路功率因数降低，而且对电网产生“公害”。,晶闸管,通过对门极控制可使其导通，但不能使其关断。, 晶闸管的特点和不足之处,下 页,上 页,返 回,门极可关断晶闸管（GTO）,电力双极型晶体管（GTR）,电力场效应晶体管（Power MOSFET）,第一章电力电子技术的发展,自关断全控型器件,第二代 自关断全控型电力电子

13、器件,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,自关断全控型器件,通过对门极（基极、栅极）的控制既可以使其开通，又可以使其关断。,自关断全控型器件的开关速度普遍高于晶闸管，可以用于开关频率很高的电路。,第二代 自关断全控型电力电子器件,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,大型达林顿双极结型晶体管(BJT) 给电力电子学带来很大发展。,电力场效应晶体管 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,代替了BJT,IGBT是半导体器件的发展史上是重要的里程碑。是第三代复合型场控半导体器件的代表。,第三代 复合型场控半导体电力电子器件,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,静电感

14、应式晶体管（SIT） 静电感应式晶闸管（SITH） MOS晶闸管（MCT）,开关频率高 耐压性高 电流容量大,可以构成大功率、高频的电力电子电路。,IGBT开关频率比BJT高很多，在正向偏置安全工作区内可以不需要缓冲器。 IGBT模块（IPM）应用在内置门极驱动器。 具有沟槽栅技术的IGBT模块比二极管的导通压降稍高，具有较快的开关速度。,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,MCT开关频率比IGBT模块低许多，应用到软开关变流器中时，不受RBSOA的限制。 集成门极换流晶闸管（IGCT）对普通GTO的结构、门极驱动、封装、集成的反并联二极管做出重大改进，并且改变了关断过程，极大地

15、改善GTO的性能。 IGCT比GTO导通压降低，开关速度快，带有旁路二极管的单片集成电路，不用缓冲器操作，容易实现连续运行。,第三代 复合型场控半导体电力电子器件,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,IGBT和IGCT改进了变换电路的设计，在三电平拓扑结构中广泛采用。 PWM可控VCS（电压源型变换器）降低线路中的谐波含量，提高功率因数。 以IGCT或IGBT做为开关器件的PWM型VSC，正在迅速取代普通GTO做为开关器件的VSC和电流源型变换器（CSC）。,第三代 复合型场控半导体电力电子器件,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,双向控制晶闸管（bidirecti

16、onal control thyristorBCT）极大地保留了大功率变换器的钳位、内部结构和技术。 带有集成过电压保护的光控晶闸管（Light triggered thyristor）极大地简化了门极控制，提高了晶闸管应用在大功率、高电压中的可靠性。,晶闸管的发展,下 页,上 页,返 回,在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用,功率范围大,击穿场强高,导热性高,饱和电子漂移速率高,对化学反应或高气压呈高惰性,辐射电阻高,碳化硅,第一章电力电子技术的发展,半导体材料的改进,下 页,上 页,返 回,碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升到600时也能运行。 肖特基和结势垒肖特基（JBS）

17、二极管，阻断电压达到2000V。PIN二极管达到5kV。 碳化硅二极管可以大大减少二极管的关断损耗和开通损耗。 碳化硅晶片的密度是大功率器件的限制因素，利用碳化硅反向二极管对IGBT模块的改进，是一个重要研究课题。,第一章电力电子技术的发展,半导体材料的改进,下 页,上 页,返 回,第一章电力电子技术的发展,全控化,集成化,高频化,高效率化,变换器小型化,电源变换绿色化,改善和提高电网的供电质量,电力电子器件的容量和性能的优化,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,1.4电力电子技术的发展方向和前景,新材料的研究和应用，扩大了器件的频率、功率等级、使用温度范围，减少器件的体积和降低

18、价格。 改进器件和封装形式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。 使用无需吸收电路而且关断延时小的集成门极换流晶闸管（IGCT），使得在大功率应用场合的器件越来越容易。 多电平逆变器在大功率逆变器中的应用。,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,体积小、重量轻、损耗小的变流系统的设计。 采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器控制的传动系统。 采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制。 自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。 改善动力系统的供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛的运用。,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,1.5 电力电子技术的

19、应用,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,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,轧钢机,数控机床,冶金工业,电解铝,1）一般工业,1.5 电力电子技术的应用,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,2）交通运输,1.5 电力电子技术的应用,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,3）电力系统,SVC,高压直流装置HVDC,柔性交流输电FA

20、CTS,1.5 电力电子技术的应用,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,4）电子装置用电源,程控交换机,电子装置,微型计算机,1.5 电力电子技术的应用,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,5）家用电器,1.5 电力电子技术的应用,第一章电力电子技术的发展,下 页,上 页,返 回,6）其他,大型计算机的UPS,航天技术,新型能源,1.5 电力电子技术的应用,总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。 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。,1.5 电力电子