第1章電力電子技術(shù)概論

主講:廖冬初電力電子技術(shù)PowerElectronics第一頁，共四十三頁。概要電力電子技術(shù)主要研究如何利用電力電子器件高效實現(xiàn)電能的變換與控制的問題.本課程是電氣工程及其自動化專業(yè)、自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹典型電力電子裝置的電磁現(xiàn)象、基本工作原理、控制技術(shù)、設(shè)計與計算方法等.第二頁，共四十三頁。目錄1電力電子技術(shù)概論2電力電子器件3整流電路4逆變電路6AC/AC變流電路5DC/DC變流電路8軟開關(guān)技術(shù)結(jié)束7PWM控制技術(shù)9電力電子技術(shù)的應(yīng)用第三頁，共四十三頁。1電力電子技術(shù)概論1-1電力電子技術(shù)的概念1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容

1-3電力電子技術(shù)發(fā)展概況

1-4電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1-5課程教學計劃返回第四頁，共四十三頁。1-1電力電子技術(shù)的概念模擬電子技術(shù)1-1-1)信息電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)如收音機、電視機中的調(diào)諧電路，信號測量中的濾波、放大電路如對輸入信號進行加法運算的數(shù)字電路等

信息電子技術(shù)提取、識別、處理小功率電信號中包含的信息?第五頁，共四十三頁。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-2)電力電子技術(shù)變頻裝置將電網(wǎng)輸入的交流電變換為直流電的裝置,如同步電動機的直流勵磁電源,直流弧焊電源將電網(wǎng)輸入的交流電變換為不同頻率的交流電,如變頻調(diào)速裝置處理信息??電源裝置第六頁，共四十三頁。1-1電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)高效地將輸入電能變換為期望的另一種形式的電能直流電源、變頻電源等裝置的目的就是對電能本身進行變換、控制變換后輸出的是另一種形式的電能—輸出電能更有效\更方便使用上述裝置特點:第七頁，共四十三頁。1-1-3)電力電子技術(shù)的特點輸入電功率輸出電功率反饋信號功率變換主電路負載控制電路參考信號電力電子裝置的典型結(jié)構(gòu)1-1電力電子技術(shù)的概念第八頁，共四十三頁。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-3)電力電子技術(shù)的特點以大功率電子器件為核心反饋信號的獲取、控制電路的物理實現(xiàn)都會涉及電子技術(shù)按照一定的控制規(guī)律，確定對主電路中大功率電子器件導(dǎo)通與關(guān)斷的控制。以電能的變換與控制為研究對象

第九頁，共四十三頁。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學術(shù)地位電力電子技術(shù)是交叉學科電力電子學電子學電力學控制理論連續(xù)、離散電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機1974年美國學者W.Newell指出，電力電子技術(shù)是由電氣工程三大領(lǐng)域：電力技術(shù)、電子技術(shù)與控制理論結(jié)合形成的交叉學科。第十頁，共四十三頁。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學術(shù)地位電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學科電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程。如高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電機勵磁、電加熱、高性能交直流電源等。第十一頁，共四十三頁。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學術(shù)地位電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電之間的接口。電力電子裝置廣泛應(yīng)用于基于控制理論的自動化系統(tǒng)，是自動化的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。第十二頁，共四十三頁。國際電工委員會將電力電子學科命名為“PowerElectronics”1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學術(shù)地位電力電子技術(shù)與電力電子學并無實質(zhì)的不同，只不過前者從工程技術(shù)角度而后者從學術(shù)角度來稱呼所研究的學科。中文直譯為“電力電子學”返回第十三頁，共四十三頁。1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容1-2-1電力電子器件1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)主要研究內(nèi)容1-2-3電力電子裝置與應(yīng)用第十四頁，共四十三頁。1-2-1電力電子器件1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容電力電子器件與信息處理用電子器件的制造依據(jù)相同的理論基礎(chǔ)。制造工藝不同.電子器件:學過的有二極管\三極管等電子器件的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)電力電子器件特點涉及功率范圍大……數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦工作在開關(guān)狀態(tài)第十五頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容實現(xiàn)電能變換的電力電子電路基本形式逆變

交流電力控制變頻、變相

交流（AC）直流斬波整流

直流（DC）

直流（DC）

交流（AC）

輸入

輸出第十六頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容實現(xiàn)電能變換的電力電子電路基本形式:

交流-直流變換（AC/DC變換）直流-交流變換（DC/AC變換）直流-直流變換（DC/DC變換）交流-交流變換（AC/AC變換）電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容是研究實現(xiàn)這些變換的電路結(jié)構(gòu)及其工作原理第十七頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容AC/DC變換是將交流變換為直流的變換，這種變換稱為整流。相應(yīng)的裝置稱為整流器。采用晶閘管的相控整流裝置應(yīng)用很廣：直流調(diào)速用整流電源、同步電機勵磁電源、衛(wèi)星地面接收站使用的直流電源等。第十八頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容DC/DC變換是直流到直流的變換，稱為斬波。相應(yīng)的裝置稱斬波器。如直流電機斬波調(diào)速裝置，太陽能發(fā)電裝置中使用的直流電壓升壓電路。第十九頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容如計算機房使用的不間斷電源（UPS）就是一種恒頻輸出的逆變器，交流電機調(diào)速使用的變頻器含有輸出頻率可調(diào)的逆變器。DC/AC變換是將直流變換為交流的變換，這種變換稱為逆變。相應(yīng)的裝置稱為逆變器。第二十頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容AC/AC變換實現(xiàn)對交流電參數(shù)進行變換。對電壓有效值進行調(diào)節(jié)的稱為交流調(diào)壓如有些溫度控制系統(tǒng)就是采用調(diào)壓來控制發(fā)熱元件所輸出的功率.將50HZ工頻電直接變換為其它頻率交流電的過程稱為交交變頻，相應(yīng)的變流裝置稱為周波變換器。周波變換器廣泛應(yīng)用于低頻、大功率交流調(diào)速。第二十一頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容電力電子電路的控制技術(shù)可分為相位控制與脈沖寬度調(diào)制（PWM）兩大類相位控制技術(shù)通過控制電力電子器件在一開關(guān)周期中開通的時刻來調(diào)節(jié)輸出電能----相位控制主要用于晶閘管電路第二十二頁，共四十三頁。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容PWM控制技術(shù)通過直接控制在一開關(guān)周期中電力電子器件導(dǎo)通與關(guān)斷的時間比例來調(diào)節(jié)輸出電能PWM技術(shù)主要用于應(yīng)用全控器件的電力電子電路。PWM技術(shù)已成為電力電子電路中應(yīng)用的主流控制方法。第二十三頁，共四十三頁。電力電子電路中的大功率電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，這種開關(guān)型的電路屬于非線性電路。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究內(nèi)容電力電子電路分析方法對電力電子電路分析的基本方法是采用分段線性分析，即將電力電子電路在不同時段采用不同的線性電路來模擬，進而利用線性電路理論進行分析。電路理論是電力電子電路研究的基礎(chǔ)返回第二十四頁，共四十三頁。1-3電力電子技術(shù)發(fā)展概況電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件發(fā)展密切相關(guān).黎明期(1904-1957).晶閘管時代（1957年－21世紀70年代）.全控器件大發(fā)展階段（1970以來）.功率集成電路的興起（1990年代末以來）第二十五頁，共四十三頁。1-3電力電子技術(shù)發(fā)展概況電力電子技術(shù)的發(fā)展階段返回◆一般認為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個商用晶閘管為標志的。第二十六頁，共四十三頁。1-4電力電子技術(shù)的應(yīng)用促進電能的最佳利用1-4-1電力電子技術(shù)的重要作用改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展機電一體化等新產(chǎn)業(yè)電力電子技術(shù)在國民經(jīng)濟中具有十分重要的地位第二十七頁，共四十三頁。1-4-1電力電子技術(shù)的作用電網(wǎng)供電的形式是固定的，而用電設(shè)備對電能形式的要求是多種多樣的。為了合理高效地利用電能，通常在用電設(shè)備的前端對電能形式進行變換與處理。促進電能的最佳利用現(xiàn)在發(fā)達國家電能的75％要經(jīng)過電力電子變換或控制后使用，我國經(jīng)過變換或控制后使用的電能目前僅占30％，利用電力電子技術(shù)使用電能的發(fā)展余地還很大。第二十八頁，共四十三頁。1-4-1電力電子技術(shù)的作用改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用電力電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，具有明顯的節(jié)能、節(jié)材、改善產(chǎn)品性能等效果。如:風機、水泵用變頻調(diào)速運行，則降速10%節(jié)電可達約30%，節(jié)能十分可觀。如:變壓器的鐵芯截面積與其供電頻率成反比，因此采用高頻逆變技術(shù)的電源裝置的鐵芯材料的使用比工頻整流裝置要少得多，如逆變式電焊機比工頻交流和直流弧焊機節(jié)電30％～40％，省材約75%。第二十九頁，共四十三頁。如:太陽能發(fā)電中須利用DC-DC變換裝置將太陽能電池輸出的電能充電給蓄電池，再用DC-AC變換裝置將蓄電池儲存的電能變換為交流電供用電設(shè)備使用或傳輸給電網(wǎng)。1-4-1電力電子技術(shù)的作用發(fā)展機電一體化等新產(chǎn)業(yè)航天、激光、電動汽車、機器人、新能源（太陽能、風能、燃料電池）等領(lǐng)域都和電力電子技術(shù)有著密切關(guān)系。第三十頁，共四十三頁。電力電子裝置可分為兩大類：1-4-2電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子補償控制器負載是電網(wǎng)本身，主要作用是改善電網(wǎng)質(zhì)量電力電子變換電源.將電網(wǎng)電能變換為負載所需的電能形式供負載使用.將其他形式的電能變換為工頻電送給電網(wǎng)第三十一頁，共四十三頁。1-4-2電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子變換電源的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：1、直流開關(guān)電源2、恒頻、恒壓逆變電源3、一般工業(yè)中電力傳動用電源4、電力系統(tǒng)應(yīng)用5、交通運輸—如電力機車、電動汽車應(yīng)用6、中高頻感應(yīng)加熱電源7、電解、電鍍用低壓大電流電源8、其它應(yīng)用—如超導(dǎo)儲能\核聚變反應(yīng)堆用大容量的脈沖電源……第三十二頁，共四十三頁。直流輸電在長距離、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，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的.電力電子技術(shù)的應(yīng)用例

第三十三頁，共四十三頁。

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）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例

TSC單相主電路–提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)第三十四頁，共四十三頁。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例由冶金自動化研究設(shè)計院、中國科學院電工研究所、北京金自天正智能控制股份有限公司共同完成的“7500kVA大功率IGCT交直交變頻系統(tǒng)”獲2010年度國家科技進步二等獎。

大功率交流電機變頻調(diào)速是國家重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵設(shè)備，也是當前國家節(jié)能減排的重點推廣技術(shù)。7500kVA大功率IGCT交直交變頻系統(tǒng)第三十五頁，共四十三頁。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例雙饋型風力發(fā)電變流器雙饋發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電機相似，即定子、轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組電流由滑環(huán)導(dǎo)入，發(fā)電機的定子接入電網(wǎng)；而電網(wǎng)通過四象限交直交變流器向發(fā)電機的轉(zhuǎn)子供電，提供交流勵磁電流。雙饋型風力發(fā)電變流器降低了并網(wǎng)變流器的造價，也可方便地實現(xiàn)無功功率控制。第三十六頁，共四十三頁。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例雙饋型風力發(fā)電變流器主電路基本結(jié)構(gòu)變流器第三十七頁，共四十三頁。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。據(jù)預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，有可能成為世界能源供應(yīng)的主體。第三十八頁，共四十三頁。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例返回光伏低壓并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三相橋式逆變電路第三十九頁，共四十三頁。1-5課程教學計劃電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動化專業(yè)、自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究各類變流裝置的電磁現(xiàn)象、基本工作原理、控制技術(shù)、設(shè)計計算方法及技術(shù)經(jīng)濟指標。教學學時：56其中，主講：46