2015第1讲绪论电力电子幻灯片

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1、电力电子应用技术 Power Electronic Technology,谢红,第一讲 电力电子技术概述,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 主要内容,1.1 什么是电力电子技术,电子技术包括：信息电子技术 电力电子技术 信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术，主要用于信息处理)。 电力电子技术应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换。 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。 电力电子装置的功率，可大到数百MW甚至GW，也可小到数瓦甚至1W以下,返回,1.1 什么

2、是电力电子技术,电力电子技术的两个分支：电力电子变流技术 电力电子器件制造技术 1、电力电子变流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，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2、电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术的基础，理论基础是半导体物理,1.1 什么是电力电子技术,电力电子变流技术：用电力电子器件进行电力变换的技术，简称为变流技术 电力变换四大类：交流直流、直流交流、直流直流和交流交流。,1.1 什么是电力电子技术,“电力电子技术”和“电力电子学” 电力电子学 60年代出现，1974年，美国的W. Newell用图0-1的倒三

3、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”和“电力电子 技术”分别从学术和工程技术 的角度来称呼，实际内容没有 很大不同。 描述电力电子学的倒三角形,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和电子技术的关系 电子技术 对应 电力电子技术 电子器件 电力电子 电子电路 电力电子电路 电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同 现代电力电子器件制造大都使用集成电路IC)制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和电子学的关系 电力电子电路和电子电路 许多分析方法一致

4、，仅应用目的不同 广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路 电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路 器件的工作状态 信息电子 既可放大，也可开关 电力电子 为避免功率损耗过大，总在开关状态 电力电子技术的一个重要特征,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术与电气工程的关系 主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中。 电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程。,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术与电气工程的关系 主要关系：电力电子技术广泛用于电

5、气工程中。 通常把电力电子技术归属于电气工程学科 电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术与控制理论的关系 控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求 电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带 控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术,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

6、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。,1.2 地位和未来,1.3 电力电子技术的发展史,电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，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。,返回,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),电力电子技术的发展史,1.3 电力电子技术的发展史,电力电子技术的发展简史 1904年出现了电子管，能在真空中

7、对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河 后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管）很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电,1.3 电力电子技术的发展史,1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命 1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管 1960年我国研究成功硅整流管1962年我国研究成功晶闸管） 70年代出现电力晶体管、电力场效应管,1.3 电力电子技术的发展史,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。在晶闸管出现

8、以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式 交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今,1.3 电力电子技术的发展史,最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管 晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。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

9、使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件 对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现,1.3 电力电子技术的发展史,80年代后期开始：复合型器件 以绝缘栅极双极型晶体管为代表,IGBT是电力场效应管（MOSFET）和双极结型晶体管的复合。它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管和集成门极换流晶闸管等都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。,1.3 电力电子技术的发展史,功

10、率模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。 功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代 表了电力电子技术发展的一个重要方向 。 智能功率模块则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT。,1.3 电力电子技术的发展史,高压集成电路：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。,晶闸管复合电力二极管模块,开关器件IGCT驱动电路GCT,4

11、kA/4.5kV IGCT,663A/4.5kV IGCT,GCT分解部件,1.1 什么是电力电子技术-开关器件,IGBT模块,功率整流桥模块,21世纪电力电子技术的前景,电力电子器件发展的目标是： 大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化。 新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术：通过谐振电路使得器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）的状态下进行开关。 电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。,1.4 电力电子技术的应用,一般工业 直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置 近年来电力电子

12、变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都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,返回,1.3 电力电子技术的应用-一般工业1,一般工业 直流电动机（DC Electromotor）有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源（Controlled Rectifying Power Supply）或直流斩波电源（DC Chopping Power Supply）

13、都是电力电子装置,直流电动机,可控整流电源,1.3 电力电子技术的应用-一般工业2,近年来电力电子变频技术（Frequency Inversion Technique）的迅速发展，使交流电机（AC Electromotor）的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术（AC Speed Control Technique）大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等,交流电机,电镀装置,电化学工业大量使用直流电源（DC Power Supply），电解铝、电解食盐水等都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

14、。电镀装置也需要整流电源（Rectifying Power Supply）,轧钢机,数控机床,冶金工业,电解铝,1.3 电力电子技术的应用-交通运输1,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（Frequency Inverter）。直流斩波器（DC Chopper）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,1.3 电力电子技术的应用-交通运输2,电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换（Power Conversion）和驱动控制

15、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（Frequency Inverter）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,1.3 电力电子技术的应用-交通运输3,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（AC Speed Control by Frequency Variation）已成为主流,430系列风机水泵专用,420型经济系列,440型通用型变频器,西门子系列变频器,1.3 电力电子技术的应用,电力系统 电力电子技

16、术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。 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。近年发展起来的柔性交流输电也是依靠电力电子装置才得以实现的。柔性交流输电是应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。典型电力电子装置有静止无功补偿器（SVC）、静止无功发