電力電子技術(shù)演示文稿

電力電子技術(shù)演示文稿當前第1頁\共有52頁\編于星期六\8點優(yōu)選電力電子技術(shù)當前第2頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展首頁1.1電力電子技術(shù)的含義1.2電力電子設備的特性

1.3電力電子技術(shù)的發(fā)展史

1.4電力電子技術(shù)的發(fā)展方向和前景

當前第3頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回電力電子技術(shù)

根據(jù)電力電子器件的特性，采用一種有效的靜態(tài)變換和控制方法，將一種電能形式轉(zhuǎn)換為另一種電能形式的技術(shù)。電氣和電子器件的有效使用線性與非線性電路的理論分析控制理論的應用成熟設計方法的使用第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展1.1電力電子技術(shù)的含義

當前第4頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回電力電子技術(shù)的正確應用使用先進的分析工具，研究其控制系統(tǒng)的性能保證指避免使用需要周期性維護或替換的旋轉(zhuǎn)器件。高可靠性不使用質(zhì)量不高、性能不穩(wěn)定，時限很短的器件。高實用性當前第5頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁返回電力電子類似于微電子學技術(shù)，都是基于硅材料應用科學的一個分支，采用硅分子滲透技術(shù)。電能量交流電直流電電磁輻射脈沖激光束當前第6頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回電力電子技術(shù)市場取決于它的成本、可靠性，以及電力應用中新技術(shù)有效性。電力電子成本的核心是功率器件的特性，特別是它的導通損耗、開關(guān)損耗、和開關(guān)速度?！半娏﹄娮蛹伞笔请娏﹄娮蛹夹g(shù)發(fā)展的新階段。電力電子技術(shù)代表了新型電能控制發(fā)展的基本趨勢和革命性的概念。當前第7頁\共有52頁\編于星期六\8點信息電子技術(shù)——信息處理電力電子技術(shù)——電力變換

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)。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)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，即應用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回補充：王兆安教材當前第8頁\共有52頁\編于星期六\8點

變流技術(shù)（電力電子器件應用技術(shù)）

用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其進行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。※

電力電子技術(shù)的兩大分支

電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導體物理。第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回當前第9頁\共有52頁\編于星期六\8點電力電子學(PowerElectronics)名稱60年代出現(xiàn)。1974年，美國的W.Newell用圖1的倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受。電力電子學電子學電力學控制理論連續(xù)、離散

電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機圖1描述電力電子學的倒三角形※與相關(guān)學科的關(guān)系第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回當前第10頁\共有52頁\編于星期六\8點都分為器件和應用兩大分支。器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)。應用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同。信息電子電路的器件可工作在開關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件一般只工作在開關(guān)狀態(tài)。二者同根同源。

與電子學（信息電子學）的關(guān)系※

與相關(guān)學科的關(guān)系第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回當前第11頁\共有52頁\編于星期六\8點電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中高壓直流輸電靜止無功補償電力機車牽引交直流電力傳動電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源國內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個分支。電力電子技術(shù)是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。

與電力學（電氣工程）的關(guān)系※

與相關(guān)學科的關(guān)系第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回當前第12頁\共有52頁\編于星期六\8點控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。電力電子技術(shù)是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶。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)。

與控制理論（自動化技術(shù)）的關(guān)系※

與相關(guān)學科的關(guān)系第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回當前第13頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回1.2電力電子設備的特性

電力電子設備電力電子控制器靜止功率變換器功率調(diào)節(jié)器目的處理電氣意義上的功率功能控制交流或直流電源與一個或者多個需要此交流或直流電源的負載之間的功率的傳輸。當前第14頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回交直流電流變換器功率調(diào)節(jié)器第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展功率傳輸由接在變換器終端的電阻組成的一個或多個負載的需要決定。當前第15頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展

電力——交流和直流兩種從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。表1

電力變換的種類

進行電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。逆變直流斬波直流交流電力控制變頻、變相整流交流交流直流

輸出輸入

變流技術(shù)

電力變換四大類交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流當前第16頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回1.AC/DC變換把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓。四大類電力電子功率變換設備第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展AC/DC變換

整流把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓的裝置。整流器非線性電阻直流負載交流電源ui當前第17頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回2.DC/AC變換第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展把直流電變換成頻率、電壓固定或可調(diào)的交流電。DC/AC變換

逆變有源逆變無源逆變交流輸出接電網(wǎng)交流輸出接負載無源逆變裝置的輸出恒頻電源不間斷供電電源變頻電源當前第18頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回無源（有源）阻抗交流負載直流電源+-用于各種變頻電源、中頻感應加熱和交流電動機的變頻調(diào)速等場合。當前第19頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回3.AC/AC變換把固定或變化的交流頻率、電壓變換成可調(diào)或固定的交流頻率、電壓。

第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展AC/AC變換

AC/AC變換電路變頻器周波變換器用于交流電動機的變頻調(diào)速?？勺冏杩筊,C或L交流負載交流電源當前第20頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回4.DC/DC變換把固定或變化的直流電壓變換成可調(diào)或恒定的直流電壓。

DC/DC變換

直流斬波把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓的變換器。斬波器脈寬調(diào)制變換器當前第21頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回主要用于直流電壓變換、開關(guān)電源、電車、地鐵、礦車等電氣機車上所用的直流電動機的牽引傳動以及計算機、通信和各類儀器儀表的電源等。+-UINUOUTRLIINIOUT++--當前第22頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回1.3電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，與全球能源、環(huán)境等問題息息相關(guān)。能源消費是一個國家經(jīng)濟繁榮程度的標準。能源消耗帶來的環(huán)境污染和安全問題已成為社會的主要問題。利用電力電子技術(shù)可以有效地節(jié)約能源。節(jié)約能源不僅帶來經(jīng)濟效益，也為減少環(huán)境污染帶來了利益。第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展當前第23頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回史前期晶體管誕生晶閘管時代全控器型件迅速發(fā)展19042000199019801970195719471930水銀（汞弧）整流器時代晶閘管問世IGBT出現(xiàn)功率集成器件電子管問世年當前第24頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回內(nèi)燃機感應電動機直流電機第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展當前第25頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回晶體管晶閘管集成電路第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展當前第26頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回功率放大器磁放大器第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展當前第27頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回電力電子技術(shù)史前期水銀整流器閘流管金屬封裝水銀整流器電子管硒整流器電真空器件當前第28頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回晶體管引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。最先用于電力領(lǐng)域的半導體器件是硅二極管，普通半導體整流器開始使用。晶閘管使電力電子技術(shù)進入了功率領(lǐng)域：

1）電力變換能力有了大幅度的突破；

2）實現(xiàn)了弱點對強電變換電路的控制；

3）變流裝置由旋轉(zhuǎn)方式變?yōu)殪o止方式，效率提高、體積縮小、壽命延長、噪聲消除、維護方便。傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段——第一代電力電子器件當前第29頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回集成芯片硬件和軟件控制電力電子的發(fā)展

第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展當前第30頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回逆導晶閘管（RCT）快速晶閘管（FST）雙向晶閘管（TRIAC）雙向晶閘管（TRIAC）第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展晶閘管派生器件當前第31頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回必須用強迫換相電路關(guān)斷它，使得電路復雜、體積增大、重量增加、效率較低及可靠性下降；器件的開關(guān)頻率難以提高，限制了它的應用范圍；相位運行方式使電網(wǎng)及負載上產(chǎn)生嚴重的諧波，不但電路功率因數(shù)降低，而且對電網(wǎng)產(chǎn)生“公害”。晶閘管通過對門極控制可使其導通，但不能使其關(guān)斷?！?/p>

晶閘管的特點和不足之處當前第32頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）電力雙極型晶體管（GTR）電力場效應晶體管（PowerMOSFET）第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展自關(guān)斷全控型器件第二代自關(guān)斷全控型電力電子器件當前第33頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回自關(guān)斷全控型器件通過對門極（基極、柵極）的控制既可以使其開通，又可以使其關(guān)斷。自關(guān)斷全控型器件的開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可以用于開關(guān)頻率很高的電路。第二代自關(guān)斷全控型電力電子器件當前第34頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回大型達林頓雙極結(jié)型晶體管(BJT)給電力電子學帶來很大發(fā)展。電力場效應晶體管絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）代替了BJTIGBT是半導體器件的發(fā)展史上是重要的里程碑。是第三代復合型場控半導體器件的代表。第三代復合型場控半導體電力電子器件當前第35頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回靜電感應式晶體管（SIT）靜電感應式晶閘管（SITH）MOS晶閘管（MCT）開關(guān)頻率高耐壓性高電流容量大可以構(gòu)成大功率、高頻的電力電子電路。

IGBT開關(guān)頻率比BJT高很多，在正向偏置安全工作區(qū)內(nèi)可以不需要緩沖器。

IGBT模塊（IPM）應用在內(nèi)置門極驅(qū)動器。具有溝槽柵技術(shù)的IGBT模塊比二極管的導通壓降稍高，具有較快的開關(guān)速度。當前第36頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回

MCT開關(guān)頻率比IGBT模塊低許多，應用到軟開關(guān)變流器中時，不受RBSOA的限制。集成門極換流晶閘管（IGCT）對普通GTO的結(jié)構(gòu)、門極驅(qū)動、封裝、集成的反并聯(lián)二極管做出重大改進，并且改變了關(guān)斷過程，極大地改善GTO的性能。IGCT比GTO導通壓降低，開關(guān)速度快，帶有旁路二極管的單片集成電路，不用緩沖器操作，容易實現(xiàn)連續(xù)運行。第三代復合型場控半導體電力電子器件當前第37頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回IGBT和IGCT改進了變換電路的設計，在三電平拓撲結(jié)構(gòu)中廣泛采用。PWM可控VCS（電壓源型變換器）降低線路中的諧波含量，提高功率因數(shù)。以IGCT或IGBT做為開關(guān)器件的PWM型VSC，正在迅速取代普通GTO做為開關(guān)器件的VSC和電流源型變換器（CSC）。第三代復合型場控半導體電力電子器件當前第38頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回雙向控制晶閘管（bidirectionalcontrolthyristor－BCT）極大地保留了大功率變換器的鉗位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)。帶有集成過電壓保護的光控晶閘管（Lighttriggeredthyristor）極大地簡化了門極控制，提高了晶閘管應用在大功率、高電壓中的可靠性。晶閘管的發(fā)展當前第39頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回在高壓、高溫、高頻以及低導通壓降場合應用

功率范圍大擊穿場強高導熱性高飽和電子漂移速率高對化學反應或高氣壓呈高惰性輻射電阻高第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展半導體材料的改進當前第40頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回

碳化硅可以極大地降低通態(tài)和開關(guān)損耗，結(jié)溫上升到600℃時也能運行。肖特基和結(jié)勢壘肖特基（JBS）二極管，阻斷電壓達到2000V。PIN二極管達到5kV。碳化硅二極管可以大大減少二極管的關(guān)斷損耗和開通損耗。碳化硅晶片的密度是大功率器件的限制因素，利用碳化硅反向二極管對IGBT模塊的改進，是一個重要研究課題。

第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展半導體材料的改進當前第41頁\共有52頁\編于星期六\8點下頁上頁返回第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展全控化集成化高頻化高效率化變換器小型化電源變換綠色化改善和提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量電力電子器件的容量和性能的優(yōu)化現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要特點當前第42頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回1.4電力電子技術(shù)的發(fā)展方向和前景

新材料的研究和應用，擴大了器件的頻率、功率等級、使用溫度范圍，減少器件的體積和降低價格。改進器件和封裝形式，實現(xiàn)系統(tǒng)集成，以獲得更高的集成化和可靠性。使用無需吸收電路而且關(guān)斷延時小的集成門極換流晶閘管（IGCT），使得在大功率應用場合的器件越來越容易。多電平逆變器在大功率逆變器中的應用。當前第43頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回體積小、重量輕、損耗小的變流系統(tǒng)的設計。采用神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制邏輯芯片的無速度傳感器控制的傳動系統(tǒng)。采用專家系統(tǒng)獲得優(yōu)化的實時性和系統(tǒng)容錯控制。自主學習與自適應調(diào)節(jié)控制器在傳動系統(tǒng)中的應用。改善動力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，柔性交流輸電技術(shù)將得到越來越廣泛的運用。當前第44頁\共有52頁\編于星期六\8點第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展下頁上頁返回1.5電力電子技術(shù)的應用

一般工業(yè)：

交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)交通運輸：

電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：

高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源：

為信息電子裝置提供動力家用電器：

“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)