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1、电气工程专业导论,1,第四章 电力电子技术与电力传动,电力电子技术的作用 电力电子技术的特点 电力电子技术的研究内容 电力电子技术的主要应用领域 电力电子技术的发展方向 电力传动概况,电气工程专业导论,2,电力电子技术的作用,电气工程专业导论,3,交流电源 （交流发电机）,直流电源（太阳能电池等）,交流/直流,直流/交流,直流输电,直流/交流,电力系统,一般工业系统（钢铁等）,交通运输 （电气化铁道、电动汽车）,家用电器产品 （逆变器空调等）,其它（如UPS),电力电子技术的应用领域,电气工程专业导论,4,电力电子技术的作用（续）,当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电能中有40%需要
2、经过电力电子设备的变换才能被使用。 IEEE给出电力电子技术的定义： Power electronics is the technology associated with the efficient conversion, control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form. 它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，以控制理论为基础、以微电子器件或计算机为工具、以电子开关器件为执
3、行机构实现对电能的有效变换。,更普遍的定义：电力电子学是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。电力电子技术的根本特性节约能源。,电气工程专业导论,5,电力电子技术的作用（续）,传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 基本原理 缺点,电气工程专业导论,6,电力电子技术的作用（续）例1,电气工程专业导论,7,电力电子技术的作用（续）例2,如何用电力电子开关器件实现电能的变换？,DC/DC直流降压电路,电气工程专业导论,8,方案一: 电阻降压,电气工程专业导论,9,方案二: 串联晶体管,电气工程专业导论,10,方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 串联LC, 滤出谐波, 滤波器的截止频
4、率开关频率,电气工程专业导论,11,方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗,电气工程专业导论,12,电力电子技术的作用（续）,电力电子技术的基本工作框图：,IEEE Transaction ON Industrial Electronics IEEE Transaction ON Power Electronics IET Transaction ON Power Electronics 中国电机工程学报 电工技术学报,电气工程专业导论,13,电气工程专业导论,14,电力电子技术的作用（续）,容量为12kV/1.5kA的晶闸管,电气工程专业导论,15,电力电子技术的作用（续）,电力电子可
5、控开关元件,电源可分为两类： 直流电（D.C） ，频率f=0 交流电（A.C） ，频率f0 电力变换按电压(电流)的大小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。 这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器,电气工程专业导论,16,电力电子技术的作用（续）,电力电子变换技术,Converter,Inverter,主要发展发展方向,高频化； 控制数字化； 大容量化,电气工程专业导论,17,高频 软开关技术 新的控制策略 磁集成,电气工程专业导论,18,DC-DC DC-AC 交流调速：矢量控制和直接转矩控制 能量管理,电气工程专业导论,19,电气工程专业导论,21
6、,无功补偿和谐波抑制(VAR Compensate and Harmonic Control)对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（Thysistor Controlled ReactorTCR）、晶闸管投切电容器（ Thysistor Controlled CapacitorTSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（Static VAR GeneratorSVG）、有源电力滤波器（Active Power FilterAPF）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（VAR and Harmonic Compensate）的性能。在配电网系统，电力电子装置还可
7、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,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。,电气工程专业导论,22,电力电子技术的作用（续）,安装在挪威的160Mvar、42kV的无功发生器,软开关技术,电力电子装置高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。 进一步提高开关频率。,电气工程专业导论,23,硬开关：,硬开关：,1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压
8、上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。 2. 当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。 3. 当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。 4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。,电气工程专业导论,25,软开关：,软开关,和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到
9、零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。,电气工程专业导论,27,电气工程专业导论,28,电力电子技术的特点,它是从电气工程中3大学科领域（电力、控制、电子）发展起来的一门新型交叉学科。 电力电子技术特点： 弱电控制强电的学科交叉技术；所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测
10、量、计算机仿真、CAD）等。,传送能量的模拟-数字-模拟转换技术； 多学科知识的综合设计技术。,1974年，美国的W. Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受,电气工程专业导论,29,电力电子技术的特点（续）,与电子学（信息电子学）的关系,都分为器件和应用两大分支 器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术 应用的理论基础、分析方法也基本相同 二者同根同源,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 二者的应用目的不同,电气工程专业导论,30,与电力学的关系,电力电子技术广泛用于电力工程中 高压直流输电 静止无功补偿
11、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,电力电子技术的特点（续）,电气工程专业导论,31,与控制理论（自动化技术）的关系,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，而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,电力电子技术的特点（续）,电气工程专业导论,32,电力电子技术的研究内容,电力电子技术的研究内容： 电力半导体器件； 变换器电路结构与设计； 控制与调节； 电力电子技术中的储能元件； 电子电路的封装与制造； 电磁干扰和电磁兼容； 电机控制； 电力质量控制。,不控和半控器件电流全控器
12、件电压全控器件功率集成电路 器件的体积减小了3到4个数量级； 大功率管的开关时间从毫秒级降到了微秒级；低功率时甚至达到了纳秒级； 工作频率从50Hz增加到兆赫级；,电气工程专业导论,33,电力半导体器件电力电子技术的核心,电气工程专业导论,34,发射极关断晶闸管,电力电子器件的发展历史,电气工程专业导论,35,电力电子器件新的发展趋势 基于Si的器件已经趋于材料特性的极限,电气工程专业导论,36,电力电子器件的功率频率乘积 (fP)：109 - 1010 WHz,新的器件结构 新的器件材料,发展趋势,电气工程专业导论,37,电力电子技术的研究内容（续）,常见的功率半导体器件有：二极管（Diod
13、e）、 晶闸管（Thyrisor）、 GTO（Gate Turn Off Thyrisor ）、 VDMOS( Vertical Double Diffusion Mosfet )、 BJT( Bipolar Junction Transistor )、 IGBT( Insulated-Gate Bipolar Transitor )、IGCT( Insulated-Gate Commutated Thyrisor )等。,二极管及其符号,电气工程专业导论,38,电力电子技术的研究内容（续）,晶闸管及其符号,双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅
14、需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称Triac即三端双向交流开关之意。,电气工程专业导论,39,电力电子技术的研究内容（续）,GTO及其符号 GTO门极可关断晶闸管,电气工程专业导论,40,电力电子技术的研究内容（续）,VDMOS及其符号 VDMOS垂直双扩散金属氧化物场效应管,电气工程专业导论,41,CoolMosTM (Infineon) 采用Super-Junction概念 减小导通电阻 降低门极电荷,It is a new revolutionary technology for power MOSFETs. It implements a compensation
15、 structure in the vertical drift region of a MOSFET in order to improve the on-state resistance.,电气工程专业导论,42,电力电子技术的研究内容（续）,BJT及其符号 BJT双极晶体管,电气工程专业导论,44,电力电子技术的研究内容（续）,IGBT及其符号 IGBT绝缘栅双极晶体管,电气工程专业导论,45,电气工程专业导论,46,IGBT电压电流耐量趋势图,电气工程专业导论,47,电力电子技术的研究内容（续）,IGCT及其符号 IGCT集成门极换向晶闸管,电气工程专业导论,48,电气工程专业导论,4
16、9,电力电子技术的研究内容（续）,变换器电路结构与设计 根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式： 交流-直流变换器（AC/DC） 整流器； 直流-直流变换器（DC/DC）斩波器； 直流-交流变换器（DC/AC）逆变器； 交流-交流变换器（AC/AC）交流调压器、周波变换器；,电气工程专业导论,50,电力电子技术的作用（续）,AC/DC基本整流电路,电气工程专业导论,51,DC/AC基本逆变电路,电气工程专业导论,52,AC/AC直接变频、变压电路,开关型电力电子变换器的基本特性,开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路 输出、输入端附加、滤波器，可以改善输出电压和输入电流波形 电力电子变换电路中的电压、电流周期性时间函数 v(t)=v(t+T)、i(t)=i(t+T)往往具有对称性 一个性能良好的变换装置设计，大致应包括功能指标设计、电磁兼容设计、系统散热设计和结构亲和性设计等几个方面。,电气工程专业导论,53,电气工程专业
