《電力電子技術教學課件》第1章-緒論

1、welcome7/21/20221ppt課件電力電子技術Power Electronics四川大學電氣信息學院The School of Electric and Electronic InformationSichuan University趙莉華Zhao LihuaEmail:7/21/20222ppt課件Introduction7/21/20223ppt課件Definition應用半導體器件對電能進行變換和控制的技術。Power electronics is the electronics applied to conversion and control of electric pow

2、er using semiconductor device.what is power electronics？7/21/20224ppt課件通過半導體器件把“粗電”加工成“精電”的技術；弱電控制強電的技術，弱電和強電之間的接口；電力電子技術所變換的“電力”范圍： 1瓦以下或數瓦到數百MW，甚至GW。what is power electronics？7/21/20225ppt課件Relation with information electronicsPower electronics and information electronics 模擬電子技術電子技術信息電子技術電力電子技術數字電

3、子技術7/21/20226ppt課件Power electronics and information electronics信息電子技術信息處理(to process information)電力電子技術電力變換(to process electric power)電子技術一般即指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。電力電子技術使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，即應用于電力領域的電子技術。 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（power semiconductor device)。Relation with information electronics7

4、/21/20227ppt課件電力電子技術組成 component 電力電子元器件(device)： 基礎。 電力電子變流技術：又叫變流電路或電力電 conversion 子應用技術，主體，包 括用電力電子器件構成 各種電力變換電路。 控制技術：實現變流功能的弱電控制手段。 controlwhat is power electronics？7/21/20228ppt課件Two types of electric power DC (direct current) AC (alternating current) 從公用電網直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流電。進行電力變換的技術稱為變

5、流技術。Changeable properties in two types of electric power conversion。 DC - magnitude AC - frequency,magnitude, number of phases變流技術conversion7/21/20229ppt課件電力變換器的種類 交流AC直流DC直流DC整流AC to DC converter(Rectifier)直流斬波DC to DC converter(Chopper)交流AC交流電力控制AC to AC converterFixed frequency : AC controllerVar

6、iable frequency: Cycloconverteror frequency converter逆變DC to AC converter(Inverter)Classification of power converters輸入input輸出output7/21/202210ppt課件交流變直流 AC-DC-整流(Rectifier) 直流電機驅動，可調直流電源，高壓直流輸電。直流變交流 DC-AC-逆變（Inverter） 宇航電源，不停電電源，調頻交流電機驅動， 感應加熱電源。交流變交流 AC-AC 調光器，交流電機驅動，電壓調節(jié)器，VAR調 節(jié)器，固態(tài)繼電器。直流變直流 DC-

7、DC-斬波(Chopper) 電動車，高性能可調電源，直流電機驅動。Classification of power converters7/21/202211ppt課件電力電子學：同電力電子技術含義一樣，分別從學術和工程技術兩個角度稱呼。1974年，美國的W. Newell用下圖的倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受。 電力電子技術電子技術器件，電路 連續(xù)，離散 控制理論電力學靜止器 旋轉電機描述電力電子技術的倒三角形Electronics: Devices,CircuitsPower: Static &rotating power equipmentControl: Contin

8、uous,DiscretePower Eletronics is the interface between electronics and power。7/21/202212ppt課件 使用大功率電子器件對電能進行變換和控制。 F頻率 A幅值 m相數變換器電力電子技術的研究范疇7/21/202213ppt課件Relation with multiple disciplinesPower ElectronicsSystems & Control theoryCircuit theorySignal processingSimulation & ComputingElectronicsSolid

9、 statephysicsElectromagneticsPower SystemsEletric MachinesPower electronics is currently the most active discipline in electric power engineering.7/21/202214ppt課件二者都有器件制造和電路部分；器件制造的基礎都是半導體物理和微電子技術，工藝接近；理論基礎均為電路理論；電子裝置用于信號處理，其中功率放大環(huán)節(jié)和功率輸出也可看作電力電子裝置；在電力電子技術中器件工作在開關狀態(tài)，信息電子技術中器件既可工作于放大狀態(tài)也可工作于開關狀態(tài)；電子技術對信

10、息進行處理和變換，電力電子技術變換電力，處理能量。Relation with Electronics7/21/202215ppt課件控制理論廣泛應用于電力裝置和系統(tǒng)中；電力電子技術是弱電控制強電的技術，控制理論是弱電控制強電的紐帶；電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。電力電子廣泛應用于電氣工程。Relation with Control theoryRelation with Power7/21/202216ppt課件電力電子技術和運動控制一起，和計算機技術共同成為未來科學技術的兩大支柱。 計算機 人腦 電力電子技術 消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng) 電力電子運動控制 肌肉和四肢電力電子技術是

11、電能變換技術,是把粗電變?yōu)榫姷募夹g，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質的能源，因此，電力電子技術將青春永駐。 一門嶄新的技術，21世紀仍將以迅猛的速度發(fā)展。地位和未來Position and Future7/21/202217ppt課件Electric power is used in almost every part and everywhere of modern human society.Electric power is the major form of energy source used in modern human society.The objective of

12、power electronics is right on how to use electric power, and how to use it effectively and efficiently, and how to improve the quality and utilization of electric power.Power electronics and information electronics make two poles of modern technology and human society: information electronics is the

13、 brain,and power electronics is the muscle.Position and significance in the human society7/21/202218ppt課件 器件、變流拓撲、控制技術是電力電子技術的三大支柱。 晶閘管的出現導致了電力電子技術的誕生（1957年，美國通用公司）。 全控型大功率器件是現代電力電子技術的基礎（20世紀70年代后期）。電力電子技術的發(fā)展史器件的發(fā)展史7/21/202219ppt課件 電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出現和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞弧

14、）整流器時代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生電力電子技術的發(fā)展史器件的發(fā)展史7/21/202220ppt課件近年來，通態(tài)電阻低且散熱性好的碳化硅器件，迅速發(fā)展。其絕緣擊穿場強為硅的5.3倍，高達3.2MV/cm,導熱率是硅的3.3倍。碳化硅器件的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻，因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。 新材料SiC的采用器件的發(fā)展7/21/202221ppt課件由SiC制成的肖特基二極管及MOS場效應晶體管，與相同耐壓的硅器件相比，漂移電阻區(qū)厚度薄一個數量級，雜質濃度為硅的2個數量級，碳化硅

15、器件單位面積的阻抗僅為硅器件的1/100。用SiC制成的IGBT等功率器件，已可采用少子注入等工藝，使通態(tài)阻抗減為硅器件的1/10，加上SiC器件發(fā)熱量小，因而導熱性能極優(yōu)?？稍?00的高溫下正常工作?？衫皿w積微小的器件控制很大的電流。 可以說，碳化硅器件為減少功率器件體積和降低電路損耗作出了重要貢獻。器件的發(fā)展新材料SiC的采用7/21/202222ppt課件 德國Infineon公司等已在市場上出售碳化硅肖特基勢壘二極管，但價格還相對很高。世界不少大型半導體公司紛紛開發(fā)降低碳化硅器件溝道電阻并且降低整個器件功耗的技術。 低功耗的碳化硅器件已從實驗室進入實用器件生產階段。目前碳化硅圓片價格

16、還較高，缺陷也多。通過不斷研究開發(fā)，預計碳化硅器件將主宰功率器件的市場。 器件的發(fā)展新材料SiC的采用7/21/202223ppt課件 耐壓更高，導通電阻更低，開關速度更快的器件，現已商品化的有：工作頻率100MHZ，耐壓300V，功率300W的MOSFET；工作頻率50KHZ，1200A/3500V的IGBT；2200A/4500V和1800A/5500V的IGCT。器件的發(fā)展7/21/202224ppt課件 頻率 100MHz 50KHz 幾KHz器件的發(fā)展情況示意圖7/21/202225ppt課件電子科大陳星弼院士發(fā)明的新結構耐壓層功率器件， 突破 傳統(tǒng)理論 實現 已獲美國專利器件的發(fā)展

17、國內動態(tài)7/21/202226ppt課件陳星弼院士另一已申請專利的 高低壓兼容技術 可實現在同一芯片上同時集成高壓的功率器件和低壓的控制電路。器件的發(fā)展7/21/202227ppt課件以變換器的發(fā)展史為綱： 整流器-逆變器-變頻器。 整流器時代-20世紀60，70年代。 工業(yè)用電是交流發(fā)電機提供，20%電能以直流形式消耗，如電解，牽引(電氣機車，電傳動內燃機，地鐵機車，城市無軌電車等），直流傳動（軋鋼、造紙等）。 大功率硅整流器把交流電轉變?yōu)橹绷麟姡谏鲜兰o6、70年代有很廣泛的應用。電力電子技術的發(fā)展史History7/21/202228ppt課件以變換器的發(fā)展史為綱： 整流器-逆變器-變頻

18、器。逆變器時代-20世紀70，80年代。 能源危機，交流電機變頻調速節(jié)能，關鍵技術直-交變換； 高壓直流輸電，靜止式無功功率動態(tài)補償等不僅可以實現整流，還可實現逆變，但工作頻率主要在低頻，GTO,GTR。電力電子技術的發(fā)展史History7/21/202229ppt課件以變換器的發(fā)展史為綱： 整流器-逆變器-變頻器。變頻器時代-80年代 高頻化,IGBT,POWER MOSFET； 硬件結構模塊化，控制系統(tǒng)數字化，產品性能 綠色化。電力電子技術的發(fā)展史History7/21/202230ppt課件一般工業(yè) Industrial Application電氣傳動 Electrical Drives

19、 直流傳動，工業(yè)電氣傳動，牽引調速 系統(tǒng)，交流傳動。電解，電鍍等電化學工業(yè)用電源。冶金工業(yè)用感應加熱電源，淬火電源及直流電弧爐電源。 電力電子技術的應用Application7/21/202231ppt課件交通運輸 Transportation applications Trains & locomotives 火車，機車 Subways 地鐵 Trolley buses 電車 Magnetic levitation 磁懸浮列車 Electric vehicles 電動車 Automotive electronics 自動驅動 Ship power systems 船用電源 Aircraft

20、power systems 航空電源 電力電子技術的應用Application7/21/202232ppt課件電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術的應用Application 目前，所有能源中電能約占40%，而電能中60%以上至少經過一次以上電力電子裝置的處理，其中55%以上用于電機和電機驅動控制，20%用于照明。 據發(fā)達國家預測，今后將有95%的電能要經電力電子技術處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機電設備中，有95%與電力電子產業(yè)有關。 如果用很好的電力電子技術去轉換能量，至少人類可節(jié)省1/3的能源。7/21/202233ppt課件輸電網中靈活交流輸電

21、技術 Flexible ac transmission System(FACTS) 1986年提出，應用電力電子最新發(fā)展成就及現代控制技術，實現對交流輸電系統(tǒng)參數及網絡結構的靈活快速控制，以實現輸送功率的合理分配，降低功率損耗和發(fā)電成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。 電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術的應用Application7/21/202234ppt課件電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術的應用Application配電網中的用戶電力電子技術 (Custom Power ) 技術核心：電力電子技術在電力系統(tǒng)中的

22、應用，提高綜合暫態(tài)電能質量，與柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS比較，其控制器原理及結構相同，只是電氣標稱值較小，所以也叫配電網中的FACTS技術或DFACTS。目前國外已研制成功的控制器主要有靜態(tài)開關設備和靜態(tài)補償器。 靜態(tài)開關設備：固態(tài)斷路器，固態(tài)轉換開關 靜態(tài)補償器：串聯、并聯和混合型，用于電流、電 壓補償7/21/202235ppt課件高壓直流輸電：送電端和受電端的閥 High-voltage dc transmission(HVDC) 電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術的應用Application 直流輸電具有輸電距離遠、調節(jié)性能好、過電壓水平低、線

23、路損耗小等優(yōu)點，特別適用于遠距離大功率輸電、區(qū)間電網互聯調峰、海纜輸電等場合。中國目前電力裝機容量已居世界第二位，亟待發(fā)展直流輸電。 7/21/202236ppt課件1984年10月國家批準建設葛洲壩至上海直流輸電工程。規(guī)模為：500kV、1.2kA、雙極額定輸送容量1 200MW，線路全長1 045.7km。 換流閥組每極采用一臺12脈動的四重閥組，額定電流1.2kA、額定電壓500kV，額定容量600MW。每極共三組四重閥，每組四重閥為8層，高9.25m、寬5.4m、深4.5m，重24t，懸掛在閥廳頂上，有利于抗震。該線共用80mm水冷、空氣絕緣的晶閘管元件5760只，其主要參數為1.2k

24、A、5.8kV。高壓直流輸電：送電端和受電端的閥 電力電子技術的應用Application7/21/202237ppt課件發(fā)電機勵磁系統(tǒng) Magnetic field system of generator電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術的應用Application7/21/202238ppt課件無功補償和諧波抑制：晶閘管控制電抗器（TCR） 晶閘管投切電容器（TSC） 靜止無功發(fā)生器（SVG） 有源濾波器(APF) 統(tǒng)一潮流控制器等。 Static var compensation & harmonics suppression: TCR, TSC

25、, SVG, APF。配電系統(tǒng)：防止電網瞬時停電，瞬時電壓跌落，閃變等，進行電能質量控制，改善供電質量。電力系統(tǒng)Utility systems applications電力電子技術的應用Application7/21/202239ppt課件電子裝置用電源-高頻開關電源，如通信電源，計算機電源，手機電源。 計算機發(fā)展提出了綠色電腦和綠色電源，綠色電腦是指對環(huán)境無害的個人電腦，綠色電源指與綠色電腦相關的高效省電電源。美國環(huán)境保護署1992年6月17日“能源之星”計劃規(guī)定，臺式電腦或相關外圍設備在睡眠狀態(tài)下耗電量小于30W，則符合綠色電腦要求。目前效率為75%的200W開關電源，電源自身消耗50W能

26、源。電力電子技術的應用Application7/21/202240ppt課件家用電器-節(jié)能燈，變頻空調等。其他-不停電電源（UPS）。電力電子技術的應用Application7/21/202241ppt課件軋鋼機數控機床冶金工業(yè)電解鋁電力電子技術的應用Application7/21/202242ppt課件電力電子技術的應用Application7/21/202243ppt課件電力電子技術的應用Application中國南方電網公司安順換流站晶閘管投切電容器靜止無功發(fā)生器7/21/202244ppt課件SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS電力電子技術的應用Application7/2

27、1/202245ppt課件程控交換機電子裝置微型計算機電力電子技術的應用Application7/21/202246ppt課件電力電子技術的應用Application7/21/202247ppt課件大型計算機的UPS航天技術電力電子技術的應用Application7/21/202248ppt課件新能源風電電力電子技術的應用Application廣東南澳島風力發(fā)電場 新能源光伏發(fā)電7/21/202249ppt課件電動汽車：燃料電池車，在永磁電機和電池之間有功率變換以使二者匹配，以及使后者實現精密調速的問題，即電源變換、運動控制問題，都是電力電子的范疇。超導電感儲能：合理利用電能。大功率風機、水泵

28、、壓縮機變頻調速。柔性交流輸電系統(tǒng)。電力電子技術的應用新領域7/21/202250ppt課件電力電子技術的應用Application電力電子技術應用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學習、研究電力電子技術并使其飛速發(fā)展。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的電源，可以說，電力電子技術研究的就是電源技術。電力電子技術對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用的變頻調速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術。7/21/202251ppt課件高頻化-小型化，高效率。模塊化-減小裝置體積，提高可靠性。 功率器件模塊化，電源單元模塊化。數字化-避免信號傳遞畸變和失真，提 高抗干擾能力等。綠色

29、化-環(huán)保，節(jié)能，減少環(huán)境污染， 諧波抑制。電力電子技術的發(fā)展趨勢7/21/202252ppt課件電力電子技術的幾個關鍵問題Major issues in power electronicsHow to meet the requirement of the load or gain better control of the loadHow to improve the efficiency -for reliable operation of power semiconductor devices -for energy savingHow to realize power conversi

30、on with less volume, less weight, and less costHow to reduce negative influence to other equipment in the electric power system and to the electromagnetic environment7/21/202253ppt課件電力電子電路的仿真電力電子器件具非線性，電力電子電路討論、分析、計算復雜程度增加。波形分析和分段線性化處理。計算機仿真：在計算機上虛擬實際的物理系統(tǒng)，用數學模型代替實際物理器件和電路，實現對實際電路工作過程的研究和討論。電力電子電路的仿真軟件有很多，目前最常用的主要有PSPICE軟件和MATLAB的Simuli