電力電子技術(shù)第一講概述.ppt

第一講 概 述,電 力 電 子 技 術(shù),Power Electronic Technology,本課程的目的和任務(wù)是使同學(xué)們熟悉各種電力電子器件的特性和使用方法；掌握各種電力電子電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計方法及實驗技能；熟悉各種電力電子裝置的應(yīng)用范圍及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。,課程的性質(zhì)、目的和任務(wù),本課程是電氣工程與自動化專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課。,什么是電力電子技術(shù),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)。,電力電子技術(shù)將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路，實現(xiàn)電能的變換和控制，被國際電工委員會命名為電力電子學(xué)（Power Electronics）或稱為電力電子技術(shù)(Power Electronic Technology )。 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。,學(xué)科的組成及其研究任務(wù),1 、電力電子技術(shù)的組成： 電力電子器件、電力電子電路和控制技術(shù)三個部分； 2 、電力電子技術(shù)的研究任務(wù)： (1)電力電子器件的工作原理與應(yīng)用 (2)電力電子電路的電能變換原理 (3)控制技術(shù)以及電力電子裝置的開發(fā)與應(yīng)用。,1.1 電力電子技術(shù)的兩個分支-電子電子器件制造技術(shù),1、電力電子器件制造技術(shù) (Manufacture Technique of Power Electronic Device) 是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理(Semiconductor Physics)。,663A/4.5kV IGCT,4kA/4.5kV IGCT,電力電子技術(shù)的兩大分支,1.1 電力電子技術(shù)的兩個分支-電子電子器件制造技術(shù),電力電子器件的主要生產(chǎn)廠家,1.1 電力電子技術(shù)的兩個分支-電子電子變流技術(shù),2、電力電子變流技術(shù) (Power Electronic Conversion Technique) 用電力電子器件進行電力變換的技術(shù)，簡稱為變流技術(shù)(Power Conversion Technique)。 包括用電力電子器件(Power Electronic Device)構(gòu)成電力變換電路(Power Conversion Circuit)和對其進行控制的技術(shù)，及構(gòu)成電力電子裝置（Power Electronic Equipment)和電力電子系統(tǒng)(Power Electronic System)的技術(shù)。 變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論(Theory of Electric circuit)。,電力電子技術(shù)的兩大分支,1.1 什么是電力電子技術(shù)-電力電子技術(shù)特點,電力電子技術(shù)特點 電力電子技術(shù)的發(fā)展集中體現(xiàn)在電力電子器件的發(fā)展上； 這些器件一般均工作在開關(guān)狀態(tài)，這是重要特征； 電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中目前最為活躍的分支。有人預(yù)言：電力電子技術(shù)和運動控制一起，和計算機技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。,電力電子學(xué) (Power Electronics) 該名稱在60年代出現(xiàn)，1974年，美國的W. Newell用右圖對電力電子學(xué)進行了描述，被全世界普遍接受。 “電力電子學(xué)”和“電力電子技術(shù)” 分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)的角度來稱呼，實際內(nèi)容沒有很大不同。,電力電子技術(shù)和其它學(xué)科的關(guān)系,“電力電子技術(shù)”和“電力電子學(xué)”,1.1 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,電力電子器件和電子器件 兩類器件制造技術(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（Integrate CircuitIC)制造工藝，采用微電子(Micro-electronics）制造技術(shù)，許多設(shè)備都和微電子器件制造設(shè)備通用，說明二者同根同源。 器件的工作狀態(tài) 信息電子 既可放大，也可開關(guān) 電力電子 為避免功率損耗過大，總在開關(guān)狀態(tài),1.1 什么是電力電子技術(shù)-電力電子技術(shù)和電子學(xué),電力電子電路(Power Electronic Circuit）和電子電路Electronic Circuit） 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、計算機等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路。,電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系,主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程（Electrical Engineering）中。 電力電子裝置廣泛用于高壓直流輸電（HighVoltage DC Transmission）、靜止無功補償(Static VAR Compensate)、電力機車牽引（Electrical Power Motorcycle Driving）、交直流電力傳動(AC/DC Power Driving）、電解（Electrolyze）、勵磁（Excitation）、電加熱（Electric Power Heating）、高性能交直流電源（HighPerformance AC/DC Power Supply) 等電力系統(tǒng)(Electric Power System)和電氣工程（Electrical Engineering）。 通常把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科,電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系,控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 電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強電”的技術(shù)，是“弱電和強電的接口”，控制理論是實現(xiàn)該接口的強有力紐帶 控制理論和自動化技術(shù)密不可分，而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)。,1.1 什么是電力電子技術(shù)-電力變換的類型,常見的電力變換之間的關(guān)系 ：,電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用-一般工業(yè)1,1）一般工業(yè) 直流電動機（DC Electromotor）有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源（Controlled Rectifying Power Supply）或直流斬波電源（DC Chopping Power Supply）都是電力電子裝置。,直流電動機,可控整流電源,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用-一般工業(yè)2,近年來電力電子變頻技術(shù)（Frequency Inversion Technique）的迅速發(fā)展，使交流電機（AC Electromotor）的調(diào)速性能可與直流電機媲美，交流調(diào)速技術(shù)（AC Speed Control Technique）大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。如幾百W到數(shù)千kW的變頻調(diào)速裝置，軟起動裝置等。,交流電機,電鍍裝置,電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源（DC Power Supply），用于電解鋁、電解食鹽水等。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合需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源（Rectifying Power Supply）。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用-交通運輸1,2）交通運輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。 電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置（Frequency Inverter）。直流斬波器（DC Chopper）也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。,磁懸浮列車,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用-交通運輸2,電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換（Power Conversion）,驅(qū)動控制其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器（Frequency Inverter）和斬波器（Chopper）驅(qū)動并控制。 飛機、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)。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用-交通運輸3,如果把電梯也算做交通運輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，而近年來交流變頻調(diào)速（AC Speed Control by Frequency Variation）已成為主流。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用-電力系統(tǒng)1,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，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中有60%以上至少經(jīng)過一次電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。毫不夸張地說，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。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用-電力系統(tǒng)2,直流輸電（DC Transmission）在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，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)展起來的柔性交流輸電（Flexible AC TransmissionFACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。,龍政直流輸電系統(tǒng)龍泉換流站,高壓直流裝置HVDC,無功補償和諧波抑制（ VAR Compensate and Harmonic Control）對電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器（Thysistor Controlled ReactorTCR）、晶閘管投切電容器（ Thysistor Controlled CapacitorTSC）都是重要的無功補償裝置。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生器（Static VAR GeneratorSVG）、有源電力濾波器（Active Power FilterAPF）等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功功率和諧波補償（VAR and Harmonic Compensate）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)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。,在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用7,電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源（DC Power Supply）供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源（Thysistor Rectifying Power Supply)，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源（High Frequency Switching Mode Power Supply）。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(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。因為各種信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用8,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”。,變頻空調(diào)器（Frequency Conversion AirCondition）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、音響設(shè)備、家用計算機等電子設(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、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用10,其他 不間斷電源（Uninterruptable Power SystemUPS）在現(xiàn)代社會中的作用越來越重要，用量也越來越大。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（Space Flight Aerocraft） 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)。,不間斷電源,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用12,為了合理地利用水力發(fā)電（Waterpower）資源，近年來抽水儲能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動機的起動和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。 核聚變反應(yīng)堆（Nucleus Fusion Pile）在產(chǎn)生強大磁場（Magnetic Field）和注入能量時，需要大容量的脈沖電源（Pulse Power Supply），這種電源就是電力電子裝置。科學(xué)實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源（Special Power Supply），這也是電力電子技術(shù)的用武之地。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用12,EAST(Experimental advanced superconducting tokamak) KSTAR(Korea superconducting tokamak advanced research) DIII-D（美國） JET（英國） JT-60（日本）,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用11,傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電（Thermal power）、水力發(fā)電（Waterpower）以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機后，各種新能源（New Energy）、可再生能源（Reproducible Energy）及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電（Solar Power）和風(fēng)力發(fā)電（Wind Power）的發(fā)展較快。太陽能發(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)。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，也離不開電力電子技術(shù)。,7)新能源的開發(fā)和利用,太陽能發(fā)電幾種模式,4 MW Solar Park, Hemau, Germany,太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),風(fēng) 力 發(fā) 電,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用14,電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源、