电力电子技术1

PowerElectronicTechnology电力电子技术PowerElectronics仿真软件PSIM版本简介80年第1版：黄俊主编《半导体变流技术》86年第2版：黄俊主编《半导体变流技术》94年第3版：黄俊、王兆安主编《电力电子变流技术》00年第4版：王兆安、黄俊主编《电力电子技术》09年第5版：王兆安、刘进军主编《电力电子技术》课程总目录•第1章绪论•第2章电力电子器件•第3章整流电路•第4章逆变电路•第5章直流-直流变流电路•第6章交流-交流变流电路•第7章PWM控制技术•第8章软开关技术•第9章电力电子器件应用的共性问题•第10章电力电子器件的应用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教材使用说明第1章绪论1.1.1电力电子与信息电子1.1.2电力电子技术的两大分支1.1.3与相关学科的关系1.1.4地位和未来1.1什么是电力电子技术1.1.1电力电子与信息电子◆电力电子技术：应用于电力领域的电子技术。即，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。☞电力系统中的“电力”特指电力网的电力。☞电力电子技术中的“电力”指所变换的“电力”范围为1瓦以下或数瓦到数百MW，甚至GW。注：电力网是电力系统的一部分。电力系统：由发电厂、输电、变电设备和配电设施及用电设备组成的电能生产、输送、分配与消耗的系统。电力网：由输电、变电设备和配电设施所组成的联系发电厂和用电设备的统一整体。☞电子技术信息电子技术（信息处理）电力电子技术（电力变换）模拟电子技术数字电子技术电力电子器件制造技术（基础）变流技术（核心）电力电子器件制造技术•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。•它是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理。1.1.2两大分支一般指信息电子技术变流技术（电力电子器件应用技术）它包括用电力电子器件构成的电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。它是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理论。电力变换通常分为四类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。如下表1-1所示：1.1.2两大分支表1-1电力变换的种类进行电力变换的技术称为变流技术。逆变斩波直流（DC）变幅值变频、变相整流交流（AC）交流（AC）直流（DC）输出输入整流：Rectification直流：directcurrent交流：alternatingcurrent逆变：Inversion斩波：Chopper1.1.2两大分支电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散图1描述电力电子学的倒三角形1.1.3与相关学科的关系■电力电子学（电力电子技术）◆1974年美国学者W.Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。都分为器件和应用两大分支。器件的材料（半导体）、工艺基本相同（采用微电子技术制成集成电路）。应用的理论基础（半导体理论）相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。与电子学（信息电子学）的关系1.1.3与相关学科的关系1.1.3与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程学科的一个分支，也是最为活跃的一个分支。与电力学（电气工程）的关系电气工程是一级学科，它包括5个二级学科，即电力系统及其自动化、电机与电器、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。与控制理论（自动化技术）的关系1.1.3与相关学科的关系电力电子技术+运动控制，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术，是把粗电变为精电的技术；能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质能源，因此，电力电子技术将青春永驻。1.1.4地位和未来历史是人类社会的一面镜子，分析过去、现在有助于把握未来。1.2电力电子技术的发展史科学史是科学家的一面镜子，了解一门学科的过去、现在有助于把握未来。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。晶闸管问世(电力电子元年)IGBT出现功率集成器件晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生1.2电力电子技术的发展史一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调、电冰箱、微波炉其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置1.3电力电子技术的应用轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业1.3电力电子技术的应用2）交通运输1.3电力电子技术的应用3）电力系统静止无功补偿SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS1.3电力电子技术的应用4）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机1.3电力电子技术的应用5）家用电器1.3电力电子技术的应用6）其他大型计算机的UPS（不间断电源，UninterruptiblePowerSupply）航天技术新型能源1.3电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。1.3电力电子技术的应用1.4教材使用说明•每章最后对全章的要点和重点进行总结。•书末附有“术语索引”。•课时分配：课内教学为56学时，实验12学时（6个实验，分布在第11-16周）。•和其他课程的关系：电路电子技术基础电力电子技术电力拖动自动控制系统高压直流输电（HVDC）高压直流输电是大功率远距离直流输电。交流→直流→→→→→→直流→交流在一个高压直流输电系统中，电能从三相交流电网的一点导出，在换流站转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。静止无功补偿器（SVC）兴起于70年代，现已发展成熟的柔性交流输电系统（FACTS）装置被广泛应用于现代电力系统的负荷补偿和输电线路补偿（电压和无功补偿），在大功率电网中，SVC被用于电压控制或用于获得其它效益。FACTS（FlexibleAlternativeCurrentTransmissionSystems）是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成新技术。以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。目前国内生产此类补偿器的单位主要有鞍山荣信，温州清华电子，山大华天，哈工大，西安赛博。电力机车电力机车：从外界牵引电力作为能源驱动的铁路机车，是一种非自带能源的机车。电源包括架空电缆、电池、第三轨等。第三轨又叫供电轨，是指安装在城市轨道（地铁、轻轨等）线路旁边的，用来供电的一条单独的轨道。电力传动电力传动是利用电动机将电能变为机械能，以驱动机器工作的传动。电力传动由电动机、传输机械能的传动机构和控制电动机运转的电气控制装置组成。电力传动可以分为交流电动机传动和直流电动机传动。电力电子技术的史前期☞1904年英国物理学家弗莱明发明了第一个电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。晶体管1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。晶闸管1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管，它是电力电子技术诞生的标志。1958年商业化。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，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，简称相控方式。全控型器件☞70年代后期，以门极可关断晶闸管、电力双极型晶体管和电力场效应晶体管为代表的全控型器件迅速发展。通过对门极（基极或栅极）的控制既可使其开通也可使其关断。☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。IGBT和PIC☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件突起。它是电力场效应晶体管和电力双极型晶体管的复合，综合了两者的优点。☞把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。PSIMPSIM是美国POWERSIM公司研发的趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM全称PowerSimulation，由SIMCAD和SIMVIEM两个软件组成。SIMCAD是具有绘制电路原理图和仿真分析功能的软件。SIMVIEM是波形分析软件。PSIM