《電力電子技術(shù)教學(xué)課件》第1章-緒論

1、welcome7/21/20221ppt課件電力電子技術(shù)Power Electronics四川大學(xué)電氣信息學(xué)院The School of Electric and Electronic InformationSichuan University趙莉華Zhao LihuaEmail:7/21/20222ppt課件Introduction7/21/20223ppt課件Definition應(yīng)用半導(dǎo)體器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。Power electronics is the electronics applied to conversion and control of electric pow

2、er using semiconductor device.what is power electronics？7/21/20224ppt課件通過半導(dǎo)體器件把“粗電”加工成“精電”的技術(shù)；弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，弱電和強(qiáng)電之間的接口；電力電子技術(shù)所變換的“電力”范圍： 1瓦以下或數(shù)瓦到數(shù)百M(fèi)W，甚至GW。what is power electronics？7/21/20225ppt課件Relation with information electronicsPower electronics and information electronics 模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電

3、子技術(shù)7/21/20226ppt課件Power electronics and information electronics信息電子技術(shù)信息處理(to process information)電力電子技術(shù)電力變換(to process electric power)電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件（power semiconductor device)。Relation with information electronics7

4、/21/20227ppt課件電力電子技術(shù)組成 component 電力電子元器件(device)： 基礎(chǔ)。 電力電子變流技術(shù)：又叫變流電路或電力電 conversion 子應(yīng)用技術(shù)，主體，包 括用電力電子器件構(gòu)成 各種電力變換電路。 控制技術(shù)：實(shí)現(xiàn)變流功能的弱電控制手段。 controlwhat is power electronics？7/21/20228ppt課件Two types of electric power DC (direct current) AC (alternating current) 從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流電。進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱為變

5、流技術(shù)。Changeable properties in two types of electric power conversion。 DC - magnitude AC - frequency,magnitude, number of phases變流技術(shù)conversion7/21/20229ppt課件電力變換器的種類 交流AC直流DC直流DC整流AC to DC converter(Rectifier)直流斬波DC to DC converter(Chopper)交流AC交流電力控制AC to AC converterFixed frequency : AC controllerVar

6、iable frequency: Cycloconverteror frequency converter逆變DC to AC converter(Inverter)Classification of power converters輸入input輸出output7/21/202210ppt課件交流變直流 AC-DC-整流(Rectifier) 直流電機(jī)驅(qū)動，可調(diào)直流電源，高壓直流輸電。直流變交流 DC-AC-逆變（Inverter） 宇航電源，不停電電源，調(diào)頻交流電機(jī)驅(qū)動， 感應(yīng)加熱電源。交流變交流 AC-AC 調(diào)光器，交流電機(jī)驅(qū)動，電壓調(diào)節(jié)器，VAR調(diào) 節(jié)器，固態(tài)繼電器。直流變直流 DC-

7、DC-斬波(Chopper) 電動車，高性能可調(diào)電源，直流電機(jī)驅(qū)動。Classification of power converters7/21/202211ppt課件電力電子學(xué)：同電力電子技術(shù)含義一樣，分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)兩個角度稱呼。1974年，美國的W. Newell用下圖的倒三角形對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。 電力電子技術(shù)電子技術(shù)器件，電路 連續(xù)，離散 控制理論電力學(xué)靜止器 旋轉(zhuǎn)電機(jī)描述電力電子技術(shù)的倒三角形Electronics: Devices,CircuitsPower: Static &rotating power equipmentControl: Contin

8、uous,DiscretePower Eletronics is the interface between electronics and power。7/21/202212ppt課件 使用大功率電子器件對電能進(jìn)行變換和控制。 F頻率 A幅值 m相數(shù)變換器電力電子技術(shù)的研究范疇7/21/202213ppt課件Relation with multiple disciplinesPower ElectronicsSystems & Control theoryCircuit theorySignal processingSimulation & ComputingElectronicsSolid

9、 statephysicsElectromagneticsPower SystemsEletric MachinesPower electronics is currently the most active discipline in electric power engineering.7/21/202214ppt課件二者都有器件制造和電路部分；器件制造的基礎(chǔ)都是半導(dǎo)體物理和微電子技術(shù)，工藝接近；理論基礎(chǔ)均為電路理論；電子裝置用于信號處理，其中功率放大環(huán)節(jié)和功率輸出也可看作電力電子裝置；在電力電子技術(shù)中器件工作在開關(guān)狀態(tài)，信息電子技術(shù)中器件既可工作于放大狀態(tài)也可工作于開關(guān)狀態(tài)；電子技術(shù)對信

10、息進(jìn)行處理和變換，電力電子技術(shù)變換電力，處理能量。Relation with Electronics7/21/202215ppt課件控制理論廣泛應(yīng)用于電力裝置和系統(tǒng)中；電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，控制理論是弱電控制強(qiáng)電的紐帶；電力電子裝置是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。電力電子廣泛應(yīng)用于電氣工程。Relation with Control theoryRelation with Power7/21/202216ppt課件電力電子技術(shù)和運(yùn)動控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。 計(jì)算機(jī) 人腦 電力電子技術(shù) 消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng) 電力電子運(yùn)動控制 肌肉和四肢電力電子技術(shù)是

11、電能變換技術(shù),是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù)，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源，因此，電力電子技術(shù)將青春永駐。 一門嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展。地位和未來Position and Future7/21/202217ppt課件Electric power is used in almost every part and everywhere of modern human society.Electric power is the major form of energy source used in modern human society.The objective of

12、power electronics is right on how to use electric power, and how to use it effectively and efficiently, and how to improve the quality and utilization of electric power.Power electronics and information electronics make two poles of modern technology and human society: information electronics is the

13、 brain,and power electronics is the muscle.Position and significance in the human society7/21/202218ppt課件 器件、變流拓?fù)?、控制技術(shù)是電力電子技術(shù)的三大支柱。 晶閘管的出現(xiàn)導(dǎo)致了電力電子技術(shù)的誕生（1957年，美國通用公司）。 全控型大功率器件是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)（20世紀(jì)70年代后期）。電力電子技術(shù)的發(fā)展史器件的發(fā)展史7/21/202219ppt課件 電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞弧

14、）整流器時代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生電力電子技術(shù)的發(fā)展史器件的發(fā)展史7/21/202220ppt課件近年來，通態(tài)電阻低且散熱性好的碳化硅器件，迅速發(fā)展。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍，高達(dá)3.2MV/cm,導(dǎo)熱率是硅的3.3倍。碳化硅器件的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻，因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。 新材料SiC的采用器件的發(fā)展7/21/202221ppt課件由SiC制成的肖特基二極管及MOS場效應(yīng)晶體管，與相同耐壓的硅器件相比，漂移電阻區(qū)厚度薄一個數(shù)量級，雜質(zhì)濃度為硅的2個數(shù)量級，碳化硅

15、器件單位面積的阻抗僅為硅器件的1/100。用SiC制成的IGBT等功率器件，已可采用少子注入等工藝，使通態(tài)阻抗減為硅器件的1/10，加上SiC器件發(fā)熱量小，因而導(dǎo)熱性能極優(yōu)?？稍?00的高溫下正常工作。可利用體積微小的器件控制很大的電流。 可以說，碳化硅器件為減少功率器件體積和降低電路損耗作出了重要貢獻(xiàn)。器件的發(fā)展新材料SiC的采用7/21/202222ppt課件 德國Infineon公司等已在市場上出售碳化硅肖特基勢壘二極管，但價格還相對很高。世界不少大型半導(dǎo)體公司紛紛開發(fā)降低碳化硅器件溝道電阻并且降低整個器件功耗的技術(shù)。 低功耗的碳化硅器件已從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片價格

16、還較高，缺陷也多。通過不斷研究開發(fā)，預(yù)計(jì)碳化硅器件將主宰功率器件的市場。 器件的發(fā)展新材料SiC的采用7/21/202223ppt課件 耐壓更高，導(dǎo)通電阻更低，開關(guān)速度更快的器件，現(xiàn)已商品化的有：工作頻率100MHZ，耐壓300V，功率300W的MOSFET；工作頻率50KHZ，1200A/3500V的IGBT；2200A/4500V和1800A/5500V的IGCT。器件的發(fā)展7/21/202224ppt課件 頻率 100MHz 50KHz 幾KHz器件的發(fā)展情況示意圖7/21/202225ppt課件電子科大陳星弼院士發(fā)明的新結(jié)構(gòu)耐壓層功率器件， 突破 傳統(tǒng)理論 實(shí)現(xiàn) 已獲美國專利器件的發(fā)展

17、國內(nèi)動態(tài)7/21/202226ppt課件陳星弼院士另一已申請專利的 高低壓兼容技術(shù) 可實(shí)現(xiàn)在同一芯片上同時集成高壓的功率器件和低壓的控制電路。器件的發(fā)展7/21/202227ppt課件以變換器的發(fā)展史為綱： 整流器-逆變器-變頻器。 整流器時代-20世紀(jì)60，70年代。 工業(yè)用電是交流發(fā)電機(jī)提供，20%電能以直流形式消耗，如電解，牽引(電氣機(jī)車，電傳動內(nèi)燃機(jī)，地鐵機(jī)車，城市無軌電車等），直流傳動（軋鋼、造紙等）。 大功率硅整流器把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，在上世紀(jì)6、70年代有很廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)的發(fā)展史History7/21/202228ppt課件以變換器的發(fā)展史為綱： 整流器-逆變器-變頻

18、器。逆變器時代-20世紀(jì)70，80年代。 能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能，關(guān)鍵技術(shù)直-交變換； 高壓直流輸電，靜止式無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)炔粌H可以實(shí)現(xiàn)整流，還可實(shí)現(xiàn)逆變，但工作頻率主要在低頻，GTO,GTR。電力電子技術(shù)的發(fā)展史History7/21/202229ppt課件以變換器的發(fā)展史為綱： 整流器-逆變器-變頻器。變頻器時代-80年代 高頻化,IGBT,POWER MOSFET； 硬件結(jié)構(gòu)模塊化，控制系統(tǒng)數(shù)字化，產(chǎn)品性能 綠色化。電力電子技術(shù)的發(fā)展史History7/21/202230ppt課件一般工業(yè) Industrial Application電氣傳動 Electrical Drives

19、 直流傳動，工業(yè)電氣傳動，牽引調(diào)速 系統(tǒng)，交流傳動。電解，電鍍等電化學(xué)工業(yè)用電源。冶金工業(yè)用感應(yīng)加熱電源，淬火電源及直流電弧爐電源。 電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202231ppt課件交通運(yùn)輸 Transportation applications Trains & locomotives 火車，機(jī)車 Subways 地鐵 Trolley buses 電車 Magnetic levitation 磁懸浮列車 Electric vehicles 電動車 Automotive electronics 自動驅(qū)動 Ship power systems 船用電源 Aircraft

20、power systems 航空電源 電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202232ppt課件電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application 目前，所有能源中電能約占40%，而電能中60%以上至少經(jīng)過一次以上電力電子裝置的處理，其中55%以上用于電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動控制，20%用于照明。 據(jù)發(fā)達(dá)國家預(yù)測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)。 如果用很好的電力電子技術(shù)去轉(zhuǎn)換能量，至少人類可節(jié)省1/3的能源。7/21/202233ppt課件輸電網(wǎng)中靈活交流輸電

21、技術(shù) Flexible ac transmission System(FACTS) 1986年提出，應(yīng)用電力電子最新發(fā)展成就及現(xiàn)代控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對交流輸電系統(tǒng)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活快速控制，以實(shí)現(xiàn)輸送功率的合理分配，降低功率損耗和發(fā)電成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。 電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202234ppt課件電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application配電網(wǎng)中的用戶電力電子技術(shù) (Custom Power ) 技術(shù)核心：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的

22、應(yīng)用，提高綜合暫態(tài)電能質(zhì)量，與柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS比較，其控制器原理及結(jié)構(gòu)相同，只是電氣標(biāo)稱值較小，所以也叫配電網(wǎng)中的FACTS技術(shù)或DFACTS。目前國外已研制成功的控制器主要有靜態(tài)開關(guān)設(shè)備和靜態(tài)補(bǔ)償器。 靜態(tài)開關(guān)設(shè)備：固態(tài)斷路器，固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān) 靜態(tài)補(bǔ)償器：串聯(lián)、并聯(lián)和混合型，用于電流、電 壓補(bǔ)償7/21/202235ppt課件高壓直流輸電：送電端和受電端的閥 High-voltage dc transmission(HVDC) 電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application 直流輸電具有輸電距離遠(yuǎn)、調(diào)節(jié)性能好、過電壓水平低、線

23、路損耗小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于遠(yuǎn)距離大功率輸電、區(qū)間電網(wǎng)互聯(lián)調(diào)峰、海纜輸電等場合。中國目前電力裝機(jī)容量已居世界第二位，亟待發(fā)展直流輸電。 7/21/202236ppt課件1984年10月國家批準(zhǔn)建設(shè)葛洲壩至上海直流輸電工程。規(guī)模為：500kV、1.2kA、雙極額定輸送容量1 200MW，線路全長1 045.7km。 換流閥組每極采用一臺12脈動的四重閥組，額定電流1.2kA、額定電壓500kV，額定容量600MW。每極共三組四重閥，每組四重閥為8層，高9.25m、寬5.4m、深4.5m，重24t，懸掛在閥廳頂上，有利于抗震。該線共用80mm水冷、空氣絕緣的晶閘管元件5760只，其主要參數(shù)為1.2k

24、A、5.8kV。高壓直流輸電：送電端和受電端的閥 電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202237ppt課件發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng) Magnetic field system of generator電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202238ppt課件無功補(bǔ)償和諧波抑制：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） 有源濾波器(APF) 統(tǒng)一潮流控制器等。 Static var compensation & harmonics suppression: TCR, TSC

25、, SVG, APF。配電系統(tǒng)：防止電網(wǎng)瞬時停電，瞬時電壓跌落，閃變等，進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202239ppt課件電子裝置用電源-高頻開關(guān)電源，如通信電源，計(jì)算機(jī)電源，手機(jī)電源。 計(jì)算機(jī)發(fā)展提出了綠色電腦和綠色電源，綠色電腦是指對環(huán)境無害的個人電腦，綠色電源指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源。美國環(huán)境保護(hù)署1992年6月17日“能源之星”計(jì)劃規(guī)定，臺式電腦或相關(guān)外圍設(shè)備在睡眠狀態(tài)下耗電量小于30W，則符合綠色電腦要求。目前效率為75%的200W開關(guān)電源，電源自身消耗50W能

26、源。電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202240ppt課件家用電器-節(jié)能燈，變頻空調(diào)等。其他-不停電電源（UPS）。電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202241ppt課件軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)電解鋁電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202242ppt課件電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202243ppt課件電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application中國南方電網(wǎng)公司安順換流站晶閘管投切電容器靜止無功發(fā)生器7/21/202244ppt課件SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/2

27、1/202245ppt課件程控交換機(jī)電子裝置微型計(jì)算機(jī)電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202246ppt課件電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202247ppt課件大型計(jì)算機(jī)的UPS航天技術(shù)電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application7/21/202248ppt課件新能源風(fēng)電電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application廣東南澳島風(fēng)力發(fā)電場 新能源光伏發(fā)電7/21/202249ppt課件電動汽車：燃料電池車，在永磁電機(jī)和電池之間有功率變換以使二者匹配，以及使后者實(shí)現(xiàn)精密調(diào)速的問題，即電源變換、運(yùn)動控制問題，都是電力電子的范疇。超導(dǎo)電感儲能：合理利用電能。大功率風(fēng)機(jī)、水泵

28、、壓縮機(jī)變頻調(diào)速。柔性交流輸電系統(tǒng)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用新領(lǐng)域7/21/202250ppt課件電力電子技術(shù)的應(yīng)用Application電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的電源，可以說，電力電子技術(shù)研究的就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用的變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。7/21/202251ppt課件高頻化-小型化，高效率。模塊化-減小裝置體積，提高可靠性。 功率器件模塊化，電源單元模塊化。數(shù)字化-避免信號傳遞畸變和失真，提 高抗干擾能力等。綠色

29、化-環(huán)保，節(jié)能，減少環(huán)境污染， 諧波抑制。電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢7/21/202252ppt課件電力電子技術(shù)的幾個關(guān)鍵問題Major issues in power electronicsHow to meet the requirement of the load or gain better control of the loadHow to improve the efficiency -for reliable operation of power semiconductor devices -for energy savingHow to realize power conversi

30、on with less volume, less weight, and less costHow to reduce negative influence to other equipment in the electric power system and to the electromagnetic environment7/21/202253ppt課件電力電子電路的仿真電力電子器件具非線性，電力電子電路討論、分析、計(jì)算復(fù)雜程度增加。波形分析和分段線性化處理。計(jì)算機(jī)仿真：在計(jì)算機(jī)上虛擬實(shí)際的物理系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際物理器件和電路，實(shí)現(xiàn)對實(shí)際電路工作過程的研究和討論。電力電子電路的仿真軟件有很多，目前最常用的主要有PSPICE軟件和MATLAB的Simuli