电力电子技术

电力电子技术PowerElectronicTechnology第一讲概述1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展史1.3电力电子技术的应用1.4电力电子技术的主要内容1.1什么是电力电子技术电子技术包括：信息电子技术电力电子技术1.信息电子技术(InfoElectronicTechnology)——模拟电子技术(AnalogElectronicTechnology)和数字电子技术(DigitalElectronicTechnology)，主要用于信息处理(InfoDispose)。2.电力电子技术(PowerElectronicTechnology)——应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件(PowerElectronicDevice)对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换(PowerConversion)。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件(PowerSemiconductorDevice)。电力电子装置（PowerElectronicEquipment)的功率，可大到数百MW甚至GW，也可小到数瓦甚至1W以下1.1什么是电力电子技术电力电子技术的两个分支：电力电子变流技术电力电子器件制造技术1、电力电子变流技术(PowerElectronicConversionTechnique)用电力电子器件(PowerElectronicDevice)构成电力变换电路(PowerConversionCircuit)和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置（PowerElectronicEquipment)和电力电子系统(PowerElectronicSystem)的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论(TheoryofElectriccircuit)。2、电力电子器件制造技术(ManufactureTechniqueofPowerElectronicDevice)电力电子器件制造技术的基础，理论基础是半导体物理(SemiconductorPhysics)1.1什么是电力电子技术电力电子变流技术：用电力电子器件进行电力变换的技术，简称为变流技术(PowerConversionTechnique)。电力变换四大类：交流－直流、直流－交流、直流－直流和交流－交流。输入输出交流(AlternatingCurrent－AC)直流(DirectCurrent－DC)直流(DirectCurrent－DC整流(Rectification)直流斩波(DCChopping)交流(AlternatingCurrent－AC)交流调压(ACVoltageConversion)、变频(FrequencyConversion)、变相(PhaseConversion)逆变(Inversion)1.1什么是电力电子技术“电力电子技术”和“电力电子学”电力电子学(PowerElectronics)60年代出现，1974年，美国的W.Newell用图0-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受“电力电子学”和“电力电子技术”分别从学术和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同。描述电力电子学的倒三角形电力电子技术电子学电力学控制理论连续、离散电路、器件静止器、旋转电机1.1什么是电力电子技术电力电子技术和电子技术的关系电子技术对应电力电子技术电子器件电力电子电子电路电力电子电路电力电子器件制造技术和电子器件（ElectronicDevice)制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同现代电力电子器件制造大都使用集成电路（IntegrateCircuit－IC)制造工艺，采用微电子(Micro-electronics）制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。1.1什么是电力电子技术电力电子技术和电子学的关系电力电子电路(PowerElectronicCircuit）和电子电路ElectronicCircuit）许多分析方法一致，仅应用目的不同广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路器件的工作状态•信息电子既可放大，也可开关•电力电子为避免功率损耗过大，总在开关状态——电力电子技术的一个重要特征1.1什么是电力电子技术电力电子技术与电气工程的关系主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程（ElectricalEngineering）中。1)电力电子装置广泛用于高压直流输电（High－VoltageDCTransmission）、静止无功补偿(StaticVARCompensate)、电力机车牵引（ElectricalPowerMotorcycleDriving）、交直流电力传动(AC/DCPowerDriving）、电解（Electrolyze）、励磁（Excitation）、电加热（ElectricPowerHeating）、高性能交直流电源（High－PerformanceAC/DCPowerSupply)等电力系统(ElectricPowerSystem)和电气工程（ElectricalEngineering）。1.1什么是电力电子技术电力电子技术与电气工程的关系主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程（ElectricalEngineering）中。2)通常把电力电子技术归属于电气工程学科3)电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力1.1什么是电力电子技术电力电子技术与控制理论的关系1)控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求2)电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带3)控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术1.2电力电子技术的发展史电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。1.2电力电子技术的发展史•电力电子技术的发展简史1904年出现了电子管（Vacuumtube)，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河后来出现了水银整流器（MercuryRectifier），其性能和晶闸管（Thyristor）很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电1.2电力电子技术的发展史1947年美国贝尔实验室发明晶体管(Transistor），引发了电子技术的一场革命1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管1960年我国研究成功硅整流管（SiliconRectifyingTube/RectifierDiode）1962年我国研究成功晶闸管（Thyristor）70年代出现电力晶体管（GiantTransistor－GTR)、电力场效应管（MetallicOxideSemiconductorFieldEffectTransistor－MOSFET)1.2电力电子技术的发展史各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机—直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今1.2电力电子技术的发展史最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现1.2电力电子技术的发展史80年代后期开始：复合型器件以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated－GateBipolarTransistor－IGBT）为代表,IGBT是电力场效应管（MOSFET）和双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor－BJT）的复合。它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MOSControlledTransistor－MCT）和集成门极换流晶闸管（IntelligentGate-CommutatedThyristor－IGCT）等都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。1.2电力电子技术的发展史功率模块（PowerModule）：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。功率集成电路（PowerIntegratedCircuit－PIC）：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向。智能功率模块（IntelligentPowerModule－IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。1.2电力电子技术的发展史高压集成电路（HighVoltageIntegratedCircuit－HVIC）：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（SmartPowerIntegratedCircuit－SPIC）：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。1.3电力电子技术的应用1)一般工业直流电动机（DCElectromotor）有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源（ControlledRectifyingPowerSupply）或直流斩波电源（DCChoppingPowerSupply）都是电力电子装置近年来电力电子变频技术（FrequencyInversionTechnique）的迅速发展，使交流电机（ACElectromotor）的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术（ACSpeedControlTechnique）大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等电化学工业大量使用直流电源（DCPowerSupply），电解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源（RectifyingPowerSupply）1.3电力电子技术的应用2)交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置（FrequencyInverter）。直流斩波器（DCChopper）也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术1.3电力电子技术的应用电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换（PowerConversion）和驱动控制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器（FrequencyInverter）和斩波器（Chopper）驱动并控制飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速（ACSp