電力系統(tǒng)課件

電力電子技術(shù)PowerElectronicsTechnologySpring

2006電氣工程學(xué)院

陳洛忠Chenlzh@51687064----601(o)緒論一、電力電子技術(shù)概況二、電力電子技術(shù)的發(fā)展三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用四、課程教學(xué)內(nèi)容一、電力電子技術(shù)概況電力電子技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)（包括對(duì)電壓、電流、頻率和相位的變換）由三部分內(nèi)容組成：電力電子器件電力電子電路電力電子系統(tǒng)及控制也稱為半導(dǎo)體變流技術(shù)（變流）電能來源：交流電：電網(wǎng)（220V、380V，定壓定頻）直流電：蓄電池（12V等，電壓不穩(wěn)）負(fù)載需求：交流：不同電壓、不同頻率、變壓變頻直流：不同電壓、穩(wěn)壓、調(diào)壓、隔離四種基本變換形式

AC～DC整流

DC～AC逆變

DC～DC斬波

AC～AC交交變頻電力電子技術(shù)兩個(gè)分支變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(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)是電路理論電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理“電力電子技術(shù)”和“電力電子學(xué)”電力電子學(xué)(PowerElectronics)名稱于60年代出現(xiàn)1974年，美國(guó)的W.Newell用右圖所示的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)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(shí)際內(nèi)容沒有很大不同電子學(xué)——電子器件對(duì)應(yīng)電力電子器件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制造工藝，采用微電子制造技術(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電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系器件的工作狀態(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)——電力電子技術(shù)的一個(gè)重要特征電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系

主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中電力電子裝置廣泛用于高壓直流輸電、靜止無功補(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)和電氣工程通常把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科是電氣工程學(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

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(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)21世紀(jì)電力電子技術(shù)的前景

20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展以計(jì)算機(jī)為核心的信息科學(xué)將是21世紀(jì)起主導(dǎo)作用的科學(xué)技術(shù)之一，而電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，將和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱在21世紀(jì)中將會(huì)起十分重要的作用，有光明的未來二、電力電子技術(shù)的發(fā)展

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)展史為綱的電力電子技術(shù)的誕生 1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志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)用于通信和無線電，從而開了電子技術(shù)之先河后來出現(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以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電電力電子技術(shù)的發(fā)展各種整流電路、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)，所使用的電路形式仍然是這些形式交流電變?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)革命最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管電力電子技術(shù)的發(fā)展電力電子技術(shù)的發(fā)展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)展而確立的晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，因而屬于半控型器件對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)80年代后期開始復(fù)合型器件：以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表

IGBT是MOSFET和BJT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（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）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)電力電子技術(shù)的發(fā)展模塊：

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)用帶來了很大的方便電力電子技術(shù)的發(fā)展G4xIGBT4xDiodeIGBT模塊功率集成電路：

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)重要方向電力電子技術(shù)的發(fā)展2X集成變換器1X集成DSP集成EMI濾波器有源IPEM無源IPEM離散型變換器采用光纖傳輸?shù)腄SP控制器用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的IPEMToshibaSemikronDanfossIRFujiIndustrytrendEupec/Infineon工業(yè)趨勢(shì)電力電子技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)階段（1960～1980年）器件基礎(chǔ)：以晶閘管為核心的晶閘管大家族主要應(yīng)用：相控整流器、直流斬波器等基本特征：整流（交流到直流的順變）現(xiàn)代的電力電子技術(shù)階段（1980年～至今）器件基礎(chǔ)：高頻率、全控型、功率集成器件主要應(yīng)用：脈寬調(diào)制（PWM）逆變電路、

高頻斬波電路等基本特征：進(jìn)入逆變時(shí)期應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)、交通、能源、通訊、國(guó)防、家用電器直流傳動(dòng)、電力牽引、電解、電鍍交流傳動(dòng)（電機(jī)調(diào)速、電動(dòng)汽車、變頻空調(diào)）開關(guān)電源（各種電壓等級(jí)的直流電源）低速傳動(dòng)（冶金、礦井提升機(jī)等）三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用

750KV蘭州東變電站電力電子技術(shù)的應(yīng)用

750KV蘭州東變電站電力電子技術(shù)的應(yīng)用上海磁懸浮線上運(yùn)行的磁懸浮列車電力電子技術(shù)的應(yīng)用性能指標(biāo)：

最大速度：65km/h爬坡能力：>15%最大加速度：40sec（0-50km/h）行程：150km清華大學(xué)燃料電池城市客車風(fēng)力發(fā)電機(jī)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖220kV變電站運(yùn)行的12000kVar有源電力濾波器有源濾波器投入前、后電網(wǎng)側(cè)電流波形現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)相比較，有如下特點(diǎn)：

高頻化（減小體積、重量）模塊化（器件、控制單元、系統(tǒng)）全控型（IGBT為主）控制技術(shù)數(shù)字化（DSP）

綠色化（節(jié)能、減少污染）本學(xué)科的特點(diǎn)強(qiáng)電、弱電、控制相結(jié)合跨學(xué)科或邊緣學(xué)科實(shí)踐性強(qiáng)功率范圍大，從幾瓦到數(shù)百兆瓦以上發(fā)展迅速、與現(xiàn)代新技術(shù)緊密結(jié)合廣闊的應(yīng)用前景四、課程教學(xué)內(nèi)容第一章緒論第二章電力電子器件的原理與特性第三章相控整流電路第四章有源逆變與相控變流器特性第五章直流斬波電路第六章無源逆變電路第七章PWM整流電路及其應(yīng)用第九章交流調(diào)壓電路和交交變頻電路第十一章電力電子器件的應(yīng)用基礎(chǔ)主

要

任

務(wù)培養(yǎng)學(xué)生：了解電力電子技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和應(yīng)用領(lǐng)域了解與熟悉常用的電力電子器件的工作機(jī)理、電氣特性和主要參數(shù)理解和掌握基本的電力電子電路的工作原理、電路結(jié)構(gòu)、波形的原理、電氣性能、分析方法和參數(shù)計(jì)算，并能進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)對(duì)電力電子電路具有一定的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試能力本課程與其它課程的聯(lián)系本課程的先修課程為：電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)想更加深入了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理原理的學(xué)生可選修電力電子器件本課程為學(xué)習(xí)電傳動(dòng)控制基礎(chǔ)、電力電子裝置及控制、高頻電力電子技術(shù)等課程奠定了基礎(chǔ)涉及到的理論微電子技術(shù)模擬電路脈沖與數(shù)字電路計(jì)算機(jī)應(yīng)用電路理論電力系統(tǒng)理論自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)電機(jī)學(xué)及電機(jī)拖動(dòng)如何學(xué)習(xí)好本課程基本原理基本電路分析、波形分析元器件的使用對(duì)控制電路的要求應(yīng)注意的問題功率諧波功率因數(shù)系統(tǒng)價(jià)格（成本）、性能及性能價(jià)格比能量變換的基本觀點(diǎn)課程的教學(xué)基本要求課堂講授—認(rèn)真聽講作業(yè)—獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)—認(rèn)真準(zhǔn)備、重在分析考試—重視考試方式與成績(jī)?cè)u(píng)定平時(shí)聽課、作業(yè)：10％文獻(xiàn)閱讀：10%實(shí)驗(yàn)：10％期末考試：70％1、要求閱讀10篇相關(guān)論文，內(nèi)容包括4大領(lǐng)域；2、撰寫2篇讀后感（1+4）+（1+4），每篇文字不少于1000字。1、約60道題；2、要求按時(shí)交作業(yè)。1、共4個(gè)實(shí)驗(yàn)；2、到實(shí)驗(yàn)室預(yù)約。期末統(tǒng)一考試，閉卷。文獻(xiàn)閱讀閱讀十篇以上電力電子技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)科技文獻(xiàn)，提交兩份文獻(xiàn)閱讀報(bào)告每份報(bào)告包含五篇文章，具體應(yīng)包括以下內(nèi)容：其中一篇文章的文章題目、期刊名稱、年號(hào)、期號(hào)、頁號(hào)，以及1000字以上的詳細(xì)讀后感另外四篇文章的文章題目、期刊名稱、年號(hào)、期號(hào)、頁號(hào)，以及每篇幾句話的簡(jiǎn)要讀后感提交日期：1.

第10周；2.第15周報(bào)告要求：1.全部手寫，不得打印

2.嚴(yán)禁互相抄襲，若發(fā)現(xiàn)兩篇相同讀后感，二者均記0分限定期刊：《電力電子技術(shù)》《電源技術(shù)》《電氣