電力電子技術(shù)第1章緒論.ppt

電力電子技術(shù)基礎(chǔ),國海峰2,第一章緒論,1.1什么是電力電技術(shù)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史.1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,3,1.1什么是電力電子技術(shù),1.1.1電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)-應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)中所變換的“電力”有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”，后者特指電力網(wǎng)的“電力”，前者則更一般些。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。,4,5,從工程的對(duì)象和內(nèi)容及手段幾方面理解：,對(duì)象：能量中的電能內(nèi)容：對(duì)電能的變換和控制手段：利用電力電子器件（半導(dǎo)體器件）,問題：為什么要對(duì)電能進(jìn)行變換和控制？,1.1.2電力電子技術(shù)定義,使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。,6,例1.1：電車（地鐵等）用設(shè)置在車底下的變流裝置控制來自架空線的直流電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。,圖1.1電車的調(diào)速方式,7,例1.2：自然能發(fā)電（太陽能和風(fēng)能）在采用自然能發(fā)電時(shí)，必須控制變化的發(fā)電功率。,圖1.2太陽能發(fā)電能量流程,圖1.3風(fēng)能發(fā)電能量流程,8,1.1.3電能變換的種類,逆變,直流斬波,交流電力控制變頻、調(diào)功,整流,電能變換的含義：在輸入與輸出之間，將電壓、電流、頻率（含直流）、相位、相數(shù)中的一項(xiàng)以上加以改變。,電力變換四大類型,問題：如何實(shí)現(xiàn)電能變換？,9,1.1.4電能變換的基本原理,變換類型1：AC-DC利用S1S4的導(dǎo)通與關(guān)斷的組合，可由交流形成直流。同時(shí)，控制開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間，可控制直流電壓大小。,圖1-4AC-DC電路結(jié)構(gòu)與波形,在功率變換電路中，為了盡量提高電能變換的效率，應(yīng)采用開關(guān)型變換器。因?yàn)槠骷挥泄ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)，才能降低變換過程中的電能損耗。,單方向直流,圖1-4AC-DC電路結(jié)構(gòu)與波形,10,利用S的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制負(fù)載上的直流電壓。,圖1-5DC-DC電路結(jié)構(gòu)與波形,變換類型2：DC-DC,平均電壓改變,11,利用S1S4的導(dǎo)通與關(guān)斷的組合，將負(fù)載電壓值控制在正負(fù)范圍。同時(shí)，可控制負(fù)載上交流電壓的頻率。,圖1-6DC-AC電路結(jié)構(gòu)與波形,變換類型3：DC-AC,交變電壓,12,控制S1,S2開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間，可控制交流電壓大小。,圖1-7AC-AC電路結(jié)構(gòu)與波形,問題：開關(guān)型變換器中的開關(guān)器件應(yīng)如何選??？,將電能任意地、高效率地變換和控制，應(yīng)采用開關(guān)型變換器。,變換類型4：AC-AC,13,1.1.5.電能變換用的開關(guān)器件,理想開關(guān)應(yīng)滿足的條件（以斬波電路為例）:,圖1-8斬波電路結(jié)構(gòu)與波形,14,電能變換電路中理想開關(guān)應(yīng)滿足的條件：（1）開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)能承受高的端電壓，并且漏泄電流為零（2）開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)能流過大電流，而且這時(shí)的端電壓為零（3）導(dǎo)通、關(guān)斷切換時(shí)所需開關(guān)時(shí)間為零（4）長期反復(fù)地開關(guān)也不損壞（壽命長）,開關(guān)損耗為零,電能變換電路中開關(guān)的選擇：機(jī)械開關(guān)：（1）和（2）-yes，（3）和（4）-no半導(dǎo)體開關(guān)：（3）和（4）；（1）和（2）-yes,15,結(jié)論：使用功率半導(dǎo)體器件，即電力電子器件，作為電力變換電路中開關(guān)。,所以，電力電子技術(shù)定義為：使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù),16,1.1.6電力電子器件的種類,按照其控制通斷的能力分類:不控型、半控型和全控型。,17,18,變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）是電力電子技術(shù)的核心。包括：用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對(duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。,電力電子器件制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。,本課程的重點(diǎn)是變流技術(shù)。,（1）研究內(nèi)容包括兩大分支：,1.1.7.電力電子技術(shù)的特點(diǎn),19,電力電子技術(shù)是應(yīng)用在電力變換領(lǐng)域的電子技術(shù)。,（2）與電子技術(shù)的關(guān)系,20,電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣工程中，是電氣工程這個(gè)學(xué)科中最活躍的一個(gè)分支。,20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的邊緣技術(shù)學(xué)科。,（3）學(xué)科特點(diǎn),21,1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史,圖1-9電力電子技術(shù)的發(fā)展史,一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。,一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。,22,1904年-電子管，開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。20世紀(jì)30年代到50年代-水銀整流器，廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。1947年-晶體管(貝爾實(shí)驗(yàn)室)，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。,晶閘管出現(xiàn)前-史前期或黎明期。,23,晶閘管時(shí)代,電氣性能,控制性能,水銀整流器,旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組,取代,電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ),晶閘管特點(diǎn),半控型器件,相控方式,應(yīng)用局限性,產(chǎn)生,24,全控型器件和電力電子集成電路（PIC）,70年代后期,門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,電力雙極型晶體管（BJT）,電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）,（全控型器件）,控制方式,脈沖寬度調(diào)制（PWM）,在80年代后期,絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）,MOS控制晶閘管（MCT）,集成門極換流晶閘管（IGCT）,25,電力電子器件,驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路,電力電子集成技術(shù),單片集成技術(shù),混合集成技術(shù),系統(tǒng)集成技術(shù),軟開關(guān)技術(shù),開關(guān)損耗,功率密度,電力電子集成電路（PIC）,26,電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛,一般工業(yè),交通運(yùn)輸,電力系統(tǒng),通信系統(tǒng),新能源系統(tǒng),家用電器,1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用,無處不在,27,一般工業(yè)中應(yīng)用,交直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速,變頻調(diào)速,軟起動(dòng)裝置,電化學(xué)工業(yè),電解鋁,電鍍,冶金工業(yè),感應(yīng)加熱,淬火電源,目的？,要求？,要求？,28,圖1-10AB變頻器,29,交通運(yùn)輸中應(yīng)用,電氣化鐵道,直流機(jī)車,整流裝置,交流機(jī)車,變頻裝置,直流斬波器,磁懸浮列車,電動(dòng)汽車,電力變換和驅(qū)動(dòng)控制,蓄電池的充電,30,電力系統(tǒng)中應(yīng)用,直流輸電,（長距離大容量輸電）,送電端的整流閥,受電端的逆變閥,柔性交流輸電,無功補(bǔ)償或諧波抑制,（電能質(zhì)量控制）,晶閘管控制電抗器（TCR）,晶閘管投切電容器（TSC）,靜止無功發(fā)生器（SVG）,有源電力濾波器（APF,交直流操作電源,31,圖1-11中國南方電網(wǎng)公司安順換流站,圖1-12靜止無功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）,32,無功補(bǔ)償裝置,33,800kW電能補(bǔ)償裝置,34,電子裝置用電源,各種電子裝置-直流電源供電。程控交換機(jī)-高頻開關(guān)電源。微型計(jì)算機(jī)電源-高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)等場合-不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply_UPS）（典型的電力電子裝置）,35,電力電子照明電源-逐步取代白熾燈和日光燈?？照{(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。,家用電器,36,電子鎮(zhèn)流器,37,70w電子鎮(zhèn)流器元件面,38,70w電子鎮(zhèn)流器焊接面,39,圖1-13風(fēng)場,新能源中應(yīng)用,風(fēng)能、太陽能發(fā)電,緩沖能量和改善電能質(zhì)量,電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),核聚變反應(yīng)堆,大容量的脈沖電源,產(chǎn)生強(qiáng)大磁場,40,據(jù)統(tǒng)計(jì)70的電能都是經(jīng)過變