电力电子电路绪论幻灯片

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1、杨卫国、肖冬,电力电子技术,课程性质： 专业基础课 主干考试课,学习要求： 基本概念、 基本公式和计算、波形和相位分析,涉及相关课程： 高等数学、电路理论、电子技术、电机拖动等。,电力电子技术,教材： 电力电子技术 杨卫国、肖冬 主编 冶金工业出版社, 电力电子技术是利用电力电子器件及其电路进行电能变换的一门技术。它包括电压、电流、频率、相数等的变换。电力电子变流技术的应用，可以说是电能变换技术的一次“革命”，它使电能变换技术产生了一次飞跃。 电力电子变流设备与老式的旋转变流机组相比，具有反应快、体积小、重量轻、噪声低、能量损耗小、容易驱动、可靠性高和易于使用微处理器实现高级自动控制（如自适应

2、控制、最优控制和智能控制等）等优点。,绪论概述,电力技术是一门涉及发电、输电及电力应用的科学技术，其理论基础是电磁学(电路、磁路、电场、磁场)，利用电磁学的基本原理处理发电、输配电及电力应用的技术称为电力技术。 电子技术又称为电子学，是与电子器件、电子电路、电子设备和系统有关的科学技术，它的理论基础也是电磁学。电子技术是研究电路中的电子器件及其电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收等问题的技术，又称为信息电子技术。,绪论概述,电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，也就是应用于电力领域的电子技术。 目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也可称为半导体变流技术。它是由电力

3、技术、电子技术和控制技术综合而成的一门新兴学科。,绪论概述,电力电子学(Power Electronics)这一名称是在20世纪60年代出现的。1974年，美国学者W.Newell用一个倒三角形对电力电子学进行了描述，认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉形成的。,绪论概述,电力电子学的内容主要包括电力电子器件、能量变换主电路和控制系统三个方面。电力电子学利用电路理论、现代微电子技术、计算机技术、现代控制理论、大规模集成电路技术、电力系统理论，实现各种形式电能之间的变换，从而满足不同的用电要求。 由于电力电子学是在电气工程领域各学科基础上发展起来的，因而电气工程领域各学科的发展

4、也必将对电力电子学的发展起重要的推动作用，特别是功率半导体器件和大规模集成电路技术、电路拓扑、数字控制和现代控制理论、电力系统理论等学科的发展大大推动了电力电子学的应用及完善。,绪论概述, 广泛的需求成为电力电子学发展的牵引力，使其成为电气工程领域内极为重要的独立学科。而现代科学技术又为电力电子学的发展提供了巨大推动力，促进了电力电子学发展。 目前，美国等发达国家均设有国家电力电子研究中心，我国也成立了相关的国家电力电子工程及研究中心。 电力电子学应用于工业、农业、商业、办公自动化、交通运输、航空航天、国防现代化、医疗器械、环保和人民生活的各个领域。据技术发达国家的有关专家统计，经过电力电子技

5、术处理的电能已达到总电能的百分之九十以上。,绪论概述,电力电子器件是电力电子设备的灵魂和心脏。1948年，普通晶体管的发明引起了一场电子工业革命。晶体管首先应用于小功率领域，如信息处理、通讯等。10年后，即1958年，美国通用电气公司研制成功了世界上第一只工业用普通晶闸管。从那时起，电子技术的应用开始迈入强电领域并得到了迅猛地发展。电能的变换和控制从旋转变流机组、离子变流器时代进入了电力电子变流时代。,绪论电力电子器件,不可控型电力电子器件： 水银整流器 功率二极管(Power Diode) 半控型电力电子器件： 晶闸管(Thyristor) 及其派生器件 第一代全控型电力电子器件： 电力双极

6、型晶体管(GTR、BJT) 电力场效应晶体管(Power-MOSFET) 门极可关断晶闸管(GTO),绪论电力电子器件,第二代全控型电力电子器件： 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) MOS控制晶闸管(MCT) 集成门极换流晶闸管(IGCT),第三代全控型器件： 功率集成电路 (PIC) 智能型功率模块(IPM) 它的应用使控制电路进一步简化，整个电能变换设备进一步小型化，设备可靠性进一步提高。,绪论电力电子器件,早期的电力电子器件追求高电压、大电流、大功率器件。今后发展将主要在以下方面： 由半控型器件向全控型器件转移。 向高频快速方向发展。 向高电压、大电流、快速、易驱动、复合化和智能化方向发

7、展。 重点解决电力电子电路中的开关损耗和噪声问题。 新型半导体材料 和新型半导体工艺的应用。,绪论电力电子器件,电力电子变流装置主要完成各种电能形式的变换，以电能输入-输出变换的形式来分，主要包括,绪论电能变换基本类型,(1) 交流-直流(AC-DC)变换。把交流电压变换成固定或可调的直流电压，即为AC/DC变换。交流-直流变换一般称为整流，完成交流-直流变换的电力电子装置称为整流器(Rectifier)。交流-直流变换常应用于直流电动机调速、蓄电池充电、电镀、电解以及其他直流电源等。,绪论电能变换基本类型,(2) 直流-交流(DC-AC)变换 把直流电变换成频率可变、电压固定或可调的交流电，

8、称为DC/AC变换。直流-交流变换一般称为逆变。当逆变器的交流输出与电网相连时，其直流-交流变换称为有源逆变；当逆变器的交流输出与电机等无源负载连接时，其直流-交流变换称为无源逆变。,绪论电能变换基本类型,(3) 交流-交流(AC-AC)变换。交流-交流变换主要有交流调压和交-交变频两种基本形式，其中，交流调压只调节交流电压而频率不变，常应用于调温、调光、交流电动机的调压调速等场合；交-交变频则是电压和频率均可调节，完成交-交变频的电力电子装置也称为周波变换器，主要用于大功率交流变频调速等场合。,绪论电能变换基本类型,(4) 直流-直流(DC-DC)变换。将一种幅值固定或变化的直流电压变换成幅

9、值可调或恒定的另一个电压等级的直流电压，称为直流-直流(DC-DC)变换，也称为直流斩波。直流-直流变换主要包括升压、降压和升-降压变换等。采用脉宽调制(PWM)技术实现直流-直流变换的电力电子装置一般称为斩波器(Chopper) 或脉宽调制(PWM)变流器。直流-直流变换常应用于升降压直流变换器、直流电压变换、开关电源和仪表电源、电池管理、电动汽车、地铁和电力机车等。,绪论电能变换基本类型,0.5 电力电子技术的发展,目前广泛应用的电力电子器件大都从晶体三极管发展而来。晶体三极管的诞生也标志着电力电子技术学科发展基础已经建立。一般认为，电力电子技术学科的诞生是以1957年美国通用电气公司在晶

10、体三极管的基础上研制出的第一个晶闸管(Thyristor)为标志的。实现了弱电对强电变换电路的控制，它具有效率高、体积小、重量轻、寿命长、噪音小、便于维修等优点以及优越的电气性能和控制性能，因而以晶闸管为核心的电力电子电路在电能变换领域得以迅速而广泛的应用，很快取代了水银整流器和旋转式变流机组，使电力电子技术进入了大功率控制领域，进而从电子技术中分离出来，形成了电力电子学。,绪论,0.5 电力电子技术的发展,一般可以将电力电子技术的发展划分为三个时期。 20世纪5060年代为形成期，在这一时期，电力电子技术的关键技术几乎全部得以完善，电力电子技术学科就是在这一时期建立起来的。在晶闸管出现以后的

11、20年里，晶闸管的性能不断得到提高，并从低电压、小电流逐渐过渡到高电压、大电流的系列产品，采用的电力电子器件主要是晶闸管及其派生器件，如快速晶闸管(FST)、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管(TRIAC)、光控晶闸管(LTT)等，形成了以晶闸管为核心的第一代电力电子器件，这一阶段也称为传统电力电子技术阶段。,绪论,0.5 电力电子技术的发展,20世纪7080年代为发展期，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）、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)等全控型器件迅速发展。由于这些器件既可以通过控制极控制其导通，也可以控制其关断。因此，它们的

12、应用将电力电子技术推向了一个崭新的阶段。控制方式不再全是相控方式，而主要是以全控型器件为电力电子电路基础的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)方式。PWM控制技术的应用，使电路的控制性能得以改善，使电力变换的各种形式都得以很好地实现。,绪论,0.5 电力电子技术的发展,20世纪90年代以后为繁荣期，在这一时期各种全控型器件有了极大发展，各种结构的全控型器件大量涌现，种类繁多，如静电感应晶体管(Static Induction Transistor，SIT)、静电感应晶闸管(Static Induction Thyristor，SITH)、MOS控制晶闸管(MOS

13、 Controlled Thyristor，MCT)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)、注入增强型门极换流晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT)等代表了新一代全控型器件的复合型器件，它们综合了其它器件的优点，在电压、电流容量上有了较大的突破，在中小功率领域已基本取代了晶闸管。整个装置呈现出了全控化、集成化和高频化的特点。,绪论,0.5 电力电子技术的发展,当今在电力电子技术领域研究和发展的主要课题有： 1) 新材料的进一步研究和应用，扩大器件的频率、功率等级和使用温度范围，

14、减小器件的体积，改进系统性能并降低成本。 2) 改进器件的封装形式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。 3) 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)和其他新型器件，使得电力电子器件在大功率应用中的可靠性大为增强，并使应用变得越来越容易。 4) 多电平逆变器在大功率逆变器中的应用。 5) 体积小、重量轻、损耗小的变流系统的设计。 6) 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。 7) 采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制方面的应用。 8) 自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。 随着电力电子器件和其它相关学科的进一步发展，电力电子技

15、术将会进人一个更加辉煌的时代。,绪论,(1) 电气传动。各种交直流电动机是广泛应用于工业、农业、国防、科技等行业的主要动力设备，电动机负荷约占发电厂总发电量的60%70%，而应用于电动机调速的电气传动是电力电子技术最重要的应用领域。电力电子技术是电气传动的基础，也是现代电气传动装置的支柱。 直流传动装置 交流变频传动装置,绪论电力电子技术的应用,1）直流传动装置 使用直流传动变流装置对直流电动机供电，通过改变触发角控制整流器输出电压，实现对电动机平滑调压调速的目的。 随着全控型电力电子器件的出现，采用PWM控制方式的高性能直流调速系统广泛用于中小功率系统。近年来，使用微处理器进行控制的全数字直

16、流调速装置，使装置的控制灵活性、控制精度、可靠性和智能化程度都得以大大提高。,绪论电力电子技术的应用,2）交流变频传动装置 交流变频传动装置又称变频器，由全控器件结合微处理器和先进控制技术，组成的交流-直流-交流变频装置对电动机供电。 鼠笼式异步电动机，具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、维护方便和使用环境不受限等特点。 由于变频技术的发展，交流变频传动装置获得了与直流电动机相媲美的调速性能，因此得以迅速推广和应用。在我国传动领域，交流传动占绝对多数，成为电气传动的主流，对直流调速领域产生了巨大的冲击，也是全控器件应用最活跃的领域。,绪论电力电子技术的应用,(2) 电力系统 电力电子变流技术在电能变换领域应用相当广泛，对电力系统的现代化有着不可估量的促进作用。据统计，在发达国家，电能的最终用户有60以上是经过电力电子装置处理的，并且随着用电设备种类的增多，这一比例还会继续增加。电力系统的今后发展进程中，电力电子技术将起到至关重要的作用。,绪论