《電力電子技術(shù)》PPT課件.ppt

電力電子技術(shù),（第3版）,緒 論,電力電子技術(shù)的內(nèi)容 電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)要求,1. 電力電子技術(shù)的內(nèi)容 電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。,（1） 電力電子器件 根據(jù)其控制特性分： 不可控型器件：如功率二極管。 半控型器件：晶閘管及其大部分晶閘管派生器件屬于這一類器件。 全控型器件：也稱為自關(guān)斷器件。可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管等。, 按照內(nèi)部載流子的工作性質(zhì)分： 單極型器件：導(dǎo)通時只有空穴或電子一種載流子導(dǎo)電的器件。功率場效應(yīng)晶體管，器件的特點(diǎn)主要是工作頻率高、導(dǎo)通壓降較大，單個器件容量較小。 雙極型器件：導(dǎo)通時的載流子既有空穴也有電子導(dǎo)電的器件。功率二極管、晶閘管及派生器件、可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管等。器件的特點(diǎn)主要是功率較高、而工作頻率較低。 復(fù)合型器件：復(fù)合型既含有單極型器件的結(jié)構(gòu)，又有雙極型器件的結(jié)構(gòu)，通常其控制部分采用單極性結(jié)構(gòu)，主功率部分采用雙極型結(jié)構(gòu)。絕緣柵雙極型晶體管、MOS控制晶閘管等。結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有卓越的電氣性能，是電力電子器件的發(fā)展方向。, 按照器件驅(qū)動的參量分： 電流型控制器件：由控制極電流驅(qū)動器件的通斷，該類器件對驅(qū)動波形要求高，驅(qū)動電路比較復(fù)雜。屬于電流型控制器件的有晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管。 電壓型控制器件：由控制極電壓驅(qū)動器件的通斷，該類器件對驅(qū)動波形要求低，驅(qū)動電路比較簡單。屬于電壓型控制器件的有功率場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管。,（2）變換器 電能有直流(DC)和交流(AC)兩大類。前者有電壓幅值和極性的不同，后者除電壓幅值和極性外，還有頻率和相位的差別。 實(shí)際應(yīng)用中，常常需要在兩種電能之間，或?qū)νN電能的一個或多個參數(shù)(如電壓，電流，頻率和功率因數(shù)等)進(jìn)行變換。 變換器共有四種類型： 交流-直流(AC-DC)變換 直流-交流(DC-AC)變換：有源逆變；無源逆變。 交-交(AC-AC)變換：交流調(diào)壓；交-交變頻。 直流-直流(DC-DC)變換,（3） 變換器的輔助電路 變換器必須在一些輔助電路的支持下才能正常工作，這些輔助電路包括： 控制電路：控制電路的功能是根據(jù)輸入和輸出的要求產(chǎn)生主電路電力電子器件的通斷信號。 驅(qū)動電路：驅(qū)動電路的功能是根據(jù)控制電路給出的通斷信號，提供電力電子器件開通或關(guān)斷要求的電流波形和電壓波形，提供足夠的驅(qū)動功率，以確保電力電子器件的迅速可靠開通和關(guān)斷。 緩沖電路：緩沖電路的功能是在電力電子器件開通和關(guān)斷的過程中減緩其電流或電壓的上升率，以降低電力電子器件的開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力。 保護(hù)電路：保護(hù)電路的功能是在電源或負(fù)載出現(xiàn)異常時，保護(hù)電力電子器件和設(shè)備免于損壞。,2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子器件發(fā)展： 電能轉(zhuǎn)換由依靠旋轉(zhuǎn)機(jī)組改為利用電力電子器件組成的靜止的電能變換器，具有體積小、重量輕、無機(jī)械噪聲和磨損、效率高、易于控制、響應(yīng)快及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 功率二極管 SCR ：晶閘管（可控硅） GTO：門極可關(guān)斷晶閘管 BJT/ GTR：雙極型功率晶體管 P-MOSFET：功率場效應(yīng)晶體管 IGBT：絕緣柵雙極型晶體管等。,電力電子器件的電壓、電流、開關(guān)頻率是影響它們使用的關(guān)鍵參數(shù) 電壓容量從低到高的順序依次為功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、雙極型功率晶體管、可關(guān)斷晶閘管、晶閘管，其中絕緣柵雙極型晶體管、雙極型功率晶體管電壓容量接近，可關(guān)斷晶閘管、晶閘管電壓容量接近。 電流容量從低到高的順序依次為功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、雙極型功率晶體管、可關(guān)斷晶閘管、晶閘管，其中絕緣柵雙極型晶體管、雙極型功率晶體管電流容量接近。 開關(guān)頻率從低到高的順序依次為晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、雙極型功率晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、功率場效應(yīng)晶體管，其中絕緣柵雙極型晶體管、雙極型功率晶體管的開關(guān)頻率接近。,控制電路及微型計算機(jī)的發(fā)展：分立元件集成電路專為各種控制功能設(shè)計的專用集成電路，使變換器的控制電路大為簡化。微型計算機(jī)引入，運(yùn)算精度提高位數(shù)成倍增加，運(yùn)算速度增快，功能不斷完善，使控制技術(shù)發(fā)生了根本的變化，使控制不僅依賴硬件電路，而且可利用軟件編程，既方便又靈活。 控制理論的發(fā)展：各種新穎、復(fù)雜的控制策略和方案得到實(shí)現(xiàn)，并具有自診斷功能，并具有智能化的功能。將新的控制理論和方法應(yīng)用在變換器中。 綜上所述可以看出，微電子技術(shù)、電力電子器件和控制理論是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展動力。,3. 電力電子技術(shù)的典型應(yīng)用 （1）在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 可控整流器或斬波器與直流電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)有著優(yōu)良的動態(tài)性能，由于電力電子器件和變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是直接轉(zhuǎn)矩和矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能得到很大的提高。各種交、直流電動機(jī)在以下工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，無軌電車、城市地鐵、電動汽車以及機(jī)車牽引等交通運(yùn)輸系統(tǒng)；可逆熱軋機(jī)、熱連軋機(jī)、可逆冷軋機(jī)、帶鋼冷連軋機(jī)、飛剪機(jī)等電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；各類起重機(jī)械、礦井提升機(jī)、堆料機(jī)、輸送機(jī)、機(jī)床及各種自動化生產(chǎn)線；調(diào)速電梯、供水系統(tǒng)、造紙、印染、紡織等工業(yè)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速后，節(jié)能效果也很顯著。采用軟啟動控制可以減少交流電機(jī)啟動時的電流沖擊而被廣泛應(yīng)用。,（2）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 據(jù)估計，在發(fā)達(dá)國家，用戶使用的電能中有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子裝置的處理。 在電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的直流勵磁與交流勵磁系統(tǒng)是由電力電子裝置控制的，可以達(dá)到節(jié)能和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。 靜止無功補(bǔ)償器、有源電力濾波器、動態(tài)電壓恢復(fù)器等電力電子裝置有效地減少了傳統(tǒng)變流裝置形成的電網(wǎng)公害，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，抑制了電網(wǎng)諧波，防止了電網(wǎng)電壓瞬時跌落、閃變，有效地改善了電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量。,采用換流器實(shí)現(xiàn)電能的交流-直流、直流-交流的變換和傳輸技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用；基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)的柔性交流輸電技術(shù)可以大幅提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電作為可再生能源發(fā)展較快，越來越受到重視。太陽能、風(fēng)能發(fā)電受環(huán)境條件的制約，發(fā)出的電能質(zhì)量較差。利用電力電子技術(shù)進(jìn)行能量儲存和緩沖，可以有效地改善電能質(zhì)量。同時，采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可以將以上的新能源與電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)向用戶輸送電能。,（3）在交直流電源中的應(yīng)用 大功率直流電源在電解和電鍍設(shè)備中被廣泛使用。 開關(guān)電源在辦公自動化設(shè)備、計算機(jī)設(shè)備、電子產(chǎn)品、通信電源、工業(yè)測控、電子儀器和儀表中被廣泛采用。由于采用了高頻技術(shù)，大大減小了電源體積、重量和開關(guān)損耗。 不間斷電源（UPS）被廣泛地應(yīng)用于計算機(jī)機(jī)房、醫(yī)院、賓館等重要的用電場所。目前，UPS在現(xiàn)代社會中的作用越來越重要。 在節(jié)能照明燈具中，目前推廣使用的LED燈、無極燈等，也必須采用變換器供電，才能達(dá)到要求的電壓和電流。,工業(yè)感應(yīng)加熱電源主要應(yīng)用于鋼水精煉及電磁攪拌改進(jìn)結(jié)晶狀態(tài)和金屬表面的淬火熱處理等場合。 在各個國家，照明用電占發(fā)電量的數(shù)量也是比較大的。白熾燈發(fā)光效率低、熱損耗大，而日光燈必須有鎮(zhèn)流器啟輝，全部電流都要流過鎮(zhèn)流器的線圈，因而無功電流較大，不節(jié)能。在相同功率的情況下，采用AC-DC-AC變換技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器比普通鎮(zhèn)流器的體積小，可減少無功和有功損耗。另外，采用交流調(diào)壓實(shí)現(xiàn)照明的電子調(diào)光，也可節(jié)約能源。,4. 電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)要求 熟悉和掌握常用