電力電子應(yīng)用技術(shù)

1、電力電子應(yīng)用技術(shù) Power Electronic TechnologyPower Electronic Technology唐 振第一講第一講 電力電子技術(shù)概述電力電子技術(shù)概述1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1.4 1.4 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電子技術(shù)電子技術(shù)包括包括：信息電子技術(shù)信息電子技術(shù) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)1.信息電子技術(shù)信息電子技術(shù)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，主要用于信息處理)。2.電力電子技術(shù)電

2、力電子技術(shù)應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)主要用于電力變換。 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。 電力電子裝置的功率，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)瓦甚至1W以下返回1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)的兩個(gè)分支：電力電子技術(shù)的兩個(gè)分支：電力電子電力電子變流技術(shù)變流技術(shù) 電力電子器件制造技術(shù)電力電子器件制造技術(shù)1 1、電力電子變流技術(shù)電力電子變流技術(shù)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)，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2 2、電力電

3、子器件制造技術(shù)、電力電子器件制造技術(shù)電力電子器件制造技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子變流技術(shù)：電力電子變流技術(shù)：用電力電子器件進(jìn)行電力變換的技術(shù)，簡(jiǎn)稱為變流技術(shù)變流技術(shù)電力變換四大類：電力變換四大類：交流直流、直流交流、直流直流和交流交流。輸入輸出交 流直 流直流整流直流斬波交 流交流調(diào)壓、變頻、變相逆 變1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)“電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)”和和“電力電子學(xué)電力電子學(xué)”電力電子學(xué)電力電子學(xué) 60年代出現(xiàn)，1974年，美國(guó)的W. Newell用圖0-1的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界

4、普遍接受“電力電子學(xué)電力電子學(xué)”和“電力電子電力電子技術(shù)技術(shù)”分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)的角度來(lái)稱呼，實(shí)際內(nèi)容沒有很大不同。描述電力電子學(xué)的倒三角形電力電力電子技術(shù)電子技術(shù)電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)電力學(xué)控制控制理論理論連續(xù)、離散 電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和電子技術(shù)的關(guān)系電力電子技術(shù)和電子技術(shù)的關(guān)系 電子技術(shù)電子技術(shù) 對(duì)應(yīng) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電子器件 電力電子 電子電路 電力電子電路 電力電子器件制造技術(shù)和電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一樣的，大多數(shù)工藝也相同 現(xiàn)代電力電子器件制造大都使用集成電路IC)制造工藝，采用微電子制造技術(shù)，許多

5、設(shè)備都和微電子器件制造設(shè)備通用，說(shuō)明二者同根同源。1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系電力電子電路和電子電路電力電子電路和電子電路許多分析方法一致，僅應(yīng)用目的不同廣義而言，電子電路中的功放和功率輸出也可算做電力電子電路電力電子電路廣泛用于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路器件的工作狀態(tài)器件的工作狀態(tài)信息電子信息電子 既可放大，也可開關(guān)電力電子電力電子 為避免功率損耗過(guò)大，總在開關(guān)狀態(tài) 電力電子技術(shù)的一個(gè)重要特征 1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系電力電子技術(shù)與電

6、氣工程的關(guān)系 主要關(guān)系：主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中。1)電力電子裝置廣泛用于高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程。1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系主要關(guān)系：主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中。2)通常把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科3)電氣工程學(xué)科中一個(gè)最為活躍的分支，其不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動(dòng)力1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系1)控

7、制理論廣泛用于電力電子技術(shù)，使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能滿足各種需求2)電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強(qiáng)電”的技術(shù)，是“弱電和強(qiáng)電的接口”，控制理論是實(shí)現(xiàn)該接口的強(qiáng)有力紐帶3)控制理論和自動(dòng)化技術(shù)密不可分，而電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 q電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，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。返回1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 電力電子技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史電力電子技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史 1904年出現(xiàn)了電子管，能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線電，從而開了

8、電子技術(shù)之先河 后來(lái)出現(xiàn)了水銀整流器，其性能和晶閘管）很相似。在30年代到50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并大量應(yīng)用的時(shí)期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所、軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管1960年我國(guó)研究成功硅整流管1962年我國(guó)研究成功晶閘管）70年代出現(xiàn)電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史v各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)

9、，所使用的電路形式仍然是這些形式v交流電變?yōu)橹绷麟姷姆椒ǔy整流器外，還有發(fā)展更早的電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)組，即變流機(jī)組。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相對(duì)應(yīng)，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始并沿用至今1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史v 最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管v 晶閘管因電氣性能和控制性能優(yōu)越，很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、鋼鐵工業(yè)（軋鋼用電氣傳動(dòng)、感應(yīng)加熱等）、電力工業(yè)（直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償?shù)龋┑难杆侔l(fā)展也有力地推動(dòng)了晶閘管的進(jìn)步。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的v 晶閘管是通過(guò)對(duì)門極的控制

10、能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，因而屬于半控型器件v 對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式v 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史80年代后期開始：復(fù)合型器件復(fù)合型器件v以絕緣柵極雙極型晶體管為代表,IGBT是電力場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和雙極結(jié)型晶體管的復(fù)合。它集MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。與IGBT相對(duì)應(yīng)，MOS控制晶閘管和集成門極換流晶閘管等都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。

11、1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史v功率模塊功率模塊：為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小，常常把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助元件 做成模塊的形式，這給應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。v功率集成電路功率集成電路：把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前其功率都還較小，但代 表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向 。v智能功率模塊智能功率模塊則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史v高壓集成電路高壓集成電路：一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。v智能功率集成電路

12、智能功率集成電路：一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用1)一般工業(yè)一般工業(yè) 直流電動(dòng)機(jī)有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置近年來(lái)電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)媲美，交流調(diào)速技術(shù)大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。幾百W到數(shù)千kW的變頻調(diào)速裝置，軟起動(dòng)裝置等電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源返回1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子

13、技術(shù)的應(yīng)用2) 交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù) 電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來(lái)的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電動(dòng)汽車的電機(jī)靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制飛機(jī)、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術(shù)如果把電梯也算做交通運(yùn)輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電

14、梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，而近年來(lái)交流變頻調(diào)速已成為主流 1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用3) 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中有60%以上至少經(jīng)過(guò)一次電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。毫不夸張地說(shuō)，離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的。直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償和

15、諧波抑制對(duì)電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器都是重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置。近年來(lái)出現(xiàn)的靜止無(wú)功發(fā)生器、有源電力濾波器等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償）的性能。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用4) 電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的

16、高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說(shuō)信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。 1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用5) 家用電器家用電器 照明在家用電器中有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈 變頻空調(diào)器是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)等電子

17、設(shè)備的電源部分也都需要電力電子技術(shù)。此外，有些洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)廣泛用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。 1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用6) 其他其他 不間斷電源在現(xiàn)代社會(huì)中的作用越來(lái)越重要，用量也越來(lái)越大。目前，UPS在電力電子產(chǎn)品中已占有相當(dāng)大的份額。航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器中為了人的生存和工作，也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水力發(fā)電以及后來(lái)興起的核能發(fā)電。能源危機(jī)后，各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式

18、越來(lái)越受到重視。其中太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快，燃料電池更是備受關(guān)注。太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，常需要儲(chǔ)能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要電力電子技術(shù)需要電力電子技術(shù)。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，也離不開電力電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。 1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 為了合理地利用水力發(fā)電資源，近年來(lái)抽水儲(chǔ)能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。 核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)）和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電

19、源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。 1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 以前電力電子技術(shù)的應(yīng)用偏重于中、大功率?，F(xiàn)在，在1kW以下，甚至幾十瓦以下的功率范圍內(nèi)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣，其地位也越來(lái)越重要。這已成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，值得引起人們的注意。 總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。從人類對(duì)宇宙和大自然的探索，到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。這也激發(fā)了一代又一代的學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說(shuō)，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。 1.