《電力電子變流技術(shù)（第二版）》 課件 緒論

電力電子變流技術(shù)（第二版）1緒論2電力電子技術(shù)的應(yīng)用在人們的生活中隨處可見，如調(diào)光臺燈、變頻空調(diào)、電動車以及動車組（見圖0-1）等，這些設(shè)備都用到了電力電子技術(shù)。那么，什么是電力電子技術(shù)？主要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域呢？圖0-1各種用到電力電子技術(shù)的設(shè)備a）調(diào)光臺燈b）變頻空調(diào)c）電動車d）動車組一、電力電子技術(shù)簡介3電力電子技術(shù)是電子技術(shù)的分支，電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)。其中，信息電子技術(shù)主要用于信息處理，包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)；電力電子技術(shù)則主要用于電力領(lǐng)域，包括電力電子器件制造技術(shù)和電力電子變流技術(shù)，如圖0-2所示。本教材主要講授電力電子變流技術(shù)——電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)。圖0-2電子技術(shù)組成一、電力電子技術(shù)簡介4電力電子變流技術(shù)是研究使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，是介于電力、電子和控制之間的交叉學(xué)科，目前已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個方面，在電力、工業(yè)、交通、航空航天等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。電源有直流電和交流電兩種類型。公共電網(wǎng)提供的一般是交流電，蓄電池和干電池等提供的一般是直流電。這些電源往往不能直接滿足用戶的使用要求，而是需要進行變換和控制。在電力電子變流技術(shù)中，通常將交流電變直流電稱為整流，將直流電變交流電稱為逆變。二、電力電子技術(shù)的發(fā)展5電力電子技術(shù)始于20世紀50年代末至60年代初硅整流器件的出現(xiàn)，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，硅整流器件的出現(xiàn)促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀80年代末至90年代初，隨著以電力金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表，集高頻高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件的出現(xiàn)，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)進入了現(xiàn)代電力電子技術(shù)時代，即從以低頻技術(shù)處理為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。二、電力電子技術(shù)的發(fā)展6大功率的工業(yè)用電一般由工頻50Hz的交流發(fā)電機提供，但是其中大約會有20%的電能是以直流形式消耗，其中典型的是電解（有色金屬和化工原料需要直流電解）、牽引（電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等）和直流傳動（軋鋼、造紙等）三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，因此在20世紀60年代和70年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)應(yīng)用得以大發(fā)展。目前全國許多硅整流器半導(dǎo)體制造廠商都是當(dāng)時建立的。1.整流器時代二、電力電子技術(shù)的發(fā)展720世紀70年代世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了能源危機，交流電動機變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵是將直流電逆變?yōu)?～100Hz的交流電，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，用晶閘管、電力晶體管（GTR）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）實現(xiàn)大功率逆變成為當(dāng)時電力電子變流技術(shù)的主要應(yīng)用手段。不過，雖然當(dāng)時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限于中低頻范圍內(nèi)。2.逆變器時代二、電力電子技術(shù)的發(fā)展8進入20世紀80年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)迅猛發(fā)展，集成電路的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型電力電子器件，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。首先是電力MOSFET的問世，促進了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后IGBT的出現(xiàn)，又為中大型功率電源向高頻發(fā)展帶來了機遇。電力MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)電力電子技術(shù)向現(xiàn)代電力電子技術(shù)轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計，到1995年底，電力MOSFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上各占一半份額，而隨著IGBT的問世，用IGBT取代GTR在電力電子領(lǐng)域已成趨勢。新型電力電子器件的發(fā)展不僅使交流電機變頻調(diào)速有了更高的頻率，性能更加完善可靠，同時也為用電設(shè)備的高效節(jié)能、小型輕量化、機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。3.變頻器時代三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用9電力電子技術(shù)在工業(yè)、交通運輸、電力系統(tǒng)、新能源、家用電器等各領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。1.電力電子技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，隨著電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電動機的調(diào)速性能可與直流電動機相媲美，這也促進了交流調(diào)速技術(shù)、變頻技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的大量應(yīng)用，甚至逐步取代了直流調(diào)速。例如，電化學(xué)工業(yè)中電鍍、電解大量使用的直流電源，就是采用電力電子技術(shù)獲得的整流電源，如圖0-3所示。圖0-3各種變頻器和電化學(xué)工業(yè)中使用的整流電源實物外形a）富士變頻器b）電鍍整流機c）電解制氫電源三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用102.電力電子技術(shù)在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用電力電子技術(shù)在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣泛。例如，在電氣化鐵道中，電力機車的直流機車采用整流裝置、交流機車采用變頻裝置，尤其在磁懸浮列車中電力電子技術(shù)更是關(guān)鍵技術(shù)，如圖0-4所示。此外，還有航空和航海，飛機、船舶需要使用各種不同要求的電源，也都離不開電力電子技術(shù)。圖0-4電力機車和磁懸浮列車實物外形a）電力機車b）磁懸浮列車三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用113.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用目前，在所有能源中，電能約占40%，而電能中60%以上都經(jīng)歷過至少一次電力電子裝置處理，其中55%以上用于電動機和電動機驅(qū)動控制，20%用于照明。據(jù)發(fā)達國家預(yù)測，今后會有95%的電能需要經(jīng)過電力電子技術(shù)處理，也就是說工業(yè)和民用的各種機電設(shè)備，有95%與電力電子技術(shù)有關(guān)。如果電力電子技術(shù)運用得好，人類至少可以節(jié)約1/3的能源。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用123.電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用直流輸電具有輸電距離遠、調(diào)節(jié)性能好、過電壓幅值低、線路損耗小等優(yōu)點，特別適用于遠距離、大功率輸電，其送電端的整流器和受電端的逆變器都采用了晶閘管變流裝置，如圖0-5a所示。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電系統(tǒng)也是通過大功率電力電子器件構(gòu)成的裝置來控制調(diào)節(jié)交流電力系統(tǒng)的運行參數(shù)或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從而進一步優(yōu)化電力系統(tǒng)運行狀態(tài)，提高交流電力系統(tǒng)線路的輸電能力，以獲得最高的安全度和最低的輸電成本，如圖0-5b所示。圖0-5電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用示例a）高壓直流裝置b）柔性交流輸電三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用134.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用（1）在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用風(fēng)能是不能儲存的能源，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，MW級雙饋式風(fēng)電機組變流器、MW級直驅(qū)式風(fēng)電機組變流器、風(fēng)力發(fā)電機組變槳控制系統(tǒng)等都體現(xiàn)了電力電子技術(shù)的應(yīng)用。其采用電力電子變流裝置實現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電機提供無功控制，利用靜止無功補償裝置（SVC）支持交流風(fēng)電輸電的無功補償，在電壓源換流器（VSC）的基礎(chǔ)上實現(xiàn)風(fēng)電直流輸電。正是由于電力電子技術(shù)的應(yīng)用，才實現(xiàn)了風(fēng)力電能的儲存與變送，如圖0-6所示。圖0-6風(fēng)力發(fā)電裝置三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用144.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用（2）在太陽能發(fā)電中的應(yīng)用太陽能作為清潔的可再生能源，越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。目前在太陽能的開發(fā)利用中，使用最多的是太陽能光電技術(shù)、太陽能光熱技術(shù)和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，如圖0-7所示。圖0-7太陽能發(fā)電三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用154.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用太陽能光電技術(shù)是利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲存在蓄電池中，用電時，電能在放電控制器控制下釋放出來。目前主流的太陽能電池是硅太陽電池，它分單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅電池。整個光電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池負載和控制器組成。太陽能光熱技術(shù)是利用光學(xué)系統(tǒng)把太陽輻射能聚集起來給水加熱產(chǎn)生蒸汽，然后通過汽輪機、發(fā)電機來發(fā)電。與光伏發(fā)電相比，其效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、運行成本低，在溫室大棚和太陽能熱水器等領(lǐng)域運用比較廣泛。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用164.電力電子技術(shù)在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能光伏逆變器把太陽能電池板獲得的原始低壓直流電變換為所需的交流電，然后直接供負載使用或饋入市電。由于太陽能電池板獲得的電流、電壓和功率大小受很多因素影響并不穩(wěn)定，因此要想獲得可靠能直接使用的電能，必須用電力電子器件對光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電進行升壓、變換等處理。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用17電力電子技術(shù)廣泛用于各類家用電器，與我們的生活十分貼近，如節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、計算機、洗衣機、電冰箱、微波爐等，這些家用電器都利用了電力電子技術(shù)來控制其工作過程。從電力電子技術(shù)的應(yīng)用，我們可以看到，這是一門存在于我們身邊的技術(shù)，同時也