第1章电力电子技术概论

主讲:廖冬初电力电子技术PowerElectronics概要电力电子技术主要研究如何利用电力电子器件高效实现电能的变换与控制的问题.本课程是电气工程及其自动化专业、自动化专业的一门专业基础课，主要介绍典型电力电子装置的电磁现象、基本工作原理、控制技术、设计与计算方法等.目录1电力电子技术概论2电力电子器件3整流电路4逆变电路6AC/AC变流电路5DC/DC变流电路8软开关技术结束7PWM控制技术9电力电子技术的应用1电力电子技术概论1-1电力电子技术的概念1-2电力电子技术的主要研究内容1-3电力电子技术发展概况1-4电力电子技术的应用1-5课程教学计划返回1-1电力电子技术的概念•模拟电子技术1-1-1)信息电子技术•数字电子技术如收音机、电视机中的调谐电路，信号测量中的滤波、放大电路如对输入信号进行加法运算的数字电路等信息电子技术提取、识别、处理小功率电信号中包含的信息?1-1电力电子技术的概念1-1-2)电力电子技术变频装置将电网输入的交流电变换为直流电的装置,如同步电动机的直流励磁电源,直流弧焊电源将电网输入的交流电变换为不同频率的交流电,如变频调速装置处理信息??电源装置1-1电力电子技术的概念电力电子技术高效地将输入电能变换为期望的另一种形式的电能直流电源、变频电源等装置的目的就是对电能本身进行变换、控制变换后输出的是另一种形式的电能—输出电能更有效\更方便使用上述装置特点:1-1-3)电力电子技术的特点输入电功率输出电功率反馈信号功率变换主电路负载控制电路参考信号电力电子装置的典型结构1-1电力电子技术的概念1-1电力电子技术的概念1-1-3)电力电子技术的特点以大功率电子器件为核心反馈信号的获取、控制电路的物理实现都会涉及电子技术按照一定的控制规律，确定对主电路中大功率电子器件导通与关断的控制。以电能的变换与控制为研究对象1-1电力电子技术的概念1-1-4)电力电子技术的学术地位电力电子技术是交叉学科电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散1974年美国学者W.Newell指出，电力电子技术是由电气工程三大领域：电力技术、电子技术与控制理论结合形成的交叉学科。1-1电力电子技术的概念1-1-4)电力电子技术的学术地位电力电子技术归属于电气工程学科电力电子技术广泛用于电气工程。如高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电机励磁、电加热、高性能交直流电源等。1-1电力电子技术的概念1-1-4)电力电子技术的学术地位电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。电力电子装置广泛应用于基于控制理论的自动化系统，是自动化的基础元件和重要支撑技术。国际电工委员会将电力电子学科命名为“PowerElectronics”1-1电力电子技术的概念1-1-4)电力电子技术的学术地位电力电子技术与电力电子学并无实质的不同，只不过前者从工程技术角度而后者从学术角度来称呼所研究的学科。中文直译为“电力电子学”返回1-2电力电子技术的主要研究内容1-2-1电力电子器件1-2-2电力电子电路及其控制技术主要研究内容1-2-3电力电子装置与应用1-2-1电力电子器件1-2电力电子技术的主要研究内容电力电子器件与信息处理用电子器件的制造依据相同的理论基础。制造工艺不同.电子器件:学过的有二极管\三极管等电子器件的理论基础是半导体物理。电力电子器件的制造技术是电力电子技术发展的基础电力电子器件特点涉及功率范围大……数百瓦到数百千瓦工作在开关状态1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容实现电能变换的电力电子电路基本形式逆变交流电力控制变频、变相交流（AC）直流斩波整流直流（DC）直流（DC）交流（AC）输入输出1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容实现电能变换的电力电子电路基本形式:交流-直流变换（AC/DC变换）直流-交流变换（DC/AC变换）直流-直流变换（DC/DC变换）交流-交流变换（AC/AC变换）电力电子技术的重要内容是研究实现这些变换的电路结构及其工作原理1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容AC/DC变换是将交流变换为直流的变换，这种变换称为整流。相应的装置称为整流器。采用晶闸管的相控整流装置应用很广：直流调速用整流电源、同步电机励磁电源、卫星地面接收站使用的直流电源等。1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容DC/DC变换是直流到直流的变换，称为斩波。相应的装置称斩波器。如直流电机斩波调速装置，太阳能发电装置中使用的直流电压升压电路。1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容如计算机房使用的不间断电源（UPS）就是一种恒频输出的逆变器，交流电机调速使用的变频器含有输出频率可调的逆变器。DC/AC变换是将直流变换为交流的变换，这种变换称为逆变。相应的装置称为逆变器。1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容AC/AC变换实现对交流电参数进行变换。对电压有效值进行调节的称为交流调压如有些温度控制系统就是采用调压来控制发热元件所输出的功率.将50HZ工频电直接变换为其它频率交流电的过程称为交交变频，相应的变流装置称为周波变换器。周波变换器广泛应用于低频、大功率交流调速。1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容电力电子电路的控制技术可分为相位控制与脉冲宽度调制（PWM）两大类相位控制技术通过控制电力电子器件在一开关周期中开通的时刻来调节输出电能----相位控制主要用于晶闸管电路1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容PWM控制技术通过直接控制在一开关周期中电力电子器件导通与关断的时间比例来调节输出电能PWM技术主要用于应用全控器件的电力电子电路。PWM技术已成为电力电子电路中应用的主流控制方法。电力电子电路中的大功率电子器件工作在开关状态，这种开关型的电路属于非线性电路。1-2-2电力电子电路及其控制技术1-2电力电子技术的主要研究内容电力电子电路分析方法对电力电子电路分析的基本方法是采用分段线性分析，即将电力电子电路在不同时段采用不同的线性电路来模拟，进而利用线性电路理论进行分析。电路理论是电力电子电路研究的基础返回1-3电力电子技术发展概况电力电子技术的发展和电力电子器件发展密切相关.黎明期(1904-1957).晶闸管时代（1957年－21世纪70年代）.全控器件大发展阶段（1970以来）.功率集成电路的兴起（1990年代末以来）1-3电力电子技术发展概况电力电子技术的发展阶段返回◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个商用晶闸管为标志的。1-4电力电子技术的应用促进电能的最佳利用1-4-1电力电子技术的重要作用改造传统产业发展机电一体化等新产业电力电子技术在国民经济中具有十分重要的地位1-4-1电力电子技术的作用电网供电的形式是固定的，而用电设备对电能形式的要求是多种多样的。为了合理高效地利用电能，通常在用电设备的前端对电能形式进行变换与处理。促进电能的最佳利用现在发达国家电能的75％要经过电力电子变换或控制后使用，我国经过变换或控制后使用的电能目前仅占30％，利用电力电子技术使用电能的发展余地还很大。1-4-1电力电子技术的作用改造传统产业应用电力电子技术改造传统产业，具有明显的节能、节材、改善产品性能等效果。如:风机、水泵用变频调速运行，则降速10%节电可达约30%，节能十分可观。如:变压器的铁芯截面积与其供电频率成反比，因此采用高频逆变技术的电源装置的铁芯材料的使用比工频整流装置要少得多，如逆变式电焊机比工频交流和直流弧焊机节电30％～40％，省材约75%。如:太阳能发电中须利用DC-DC变换装置将太阳能电池输出的电能充电给蓄电池，再用DC-AC变换装置将蓄电池储存的电能变换为交流电供用电设备使用或传输给电网。1-4-1电力电子技术的作用发展机电一体化等新产业航天、激光、电动汽车、机器人、新能源（太阳能、风能、燃料电池）等领域都和电力电子技术有着密切关系。电力电子装置可分为两大类：1-4-2电力电子技术的应用电力电子补偿控制器负载是电网本身，主要作用是改善电网质量电力电子变换电源.将电网电能变换为负载所需的电能形式供负载使用.将其他形式的电能变换为工频电送给电网1-4-2电力电子技术的应用电力电子变换电源的主要应用领域有：1、直流开关电源2、恒频、恒压逆变电源3、一般工业中电力传动用电源4、电力系统应用5、交通运输—如电力机车、电动汽车应用6、中高频感应加热电源7、电解、电镀用低压大电流电源8、其它应用—如超导储能\核聚变反应堆用大容量的脉冲电源……直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的.电力电子技术的应用例晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。电力电子技术的应用例TSC单相主电路–提高网侧功率因数电力电子技术的应用例由冶金自动化研究设计院、中国科学院电工研究所、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交直交变频系统”获2010年度国家科技进步二等奖。大功率交流电机变频调速是国家重大技术装备的关键设备，也是当前国家节能减排的重点推广技术。7500kVA大功率IGCT交直交变频系统电力电子技术的应用例双馈型风力发电变流器双馈发电机在结构上与绕线式异步电机相似，即定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，发电机的定子接入电网；而电网通过四象限交直交变流器向发电机的转子供电，提供交流励磁电流。双馈型风力发电变流器降低了并网变流器的造价，也可方便地实现无功功率控制。电力电子技术的应用例双馈型风力发电变流器主电路基本结构变流器电力电子技术的应用例丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，有可能成为世界能源供应的主体。电力电子技术的应用例返回光伏低压并网系统结构三相桥式逆变电路1-5课程教学计划电力电子技术是电气工程及其自动化专业、自动化专业的一门专业基础课，主要研究各类变流装置的电磁现象、基本工作原理、控制技术、设计计算方法及技术经济指标。教学学时：56其中，主讲：46学时实验：10学时1-5课程教学计划教学内容（—王兆安，第五版）教材1、陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术.北京：高等教育出版社，20022、廖冬初、聂汉平.电力电子技术.武汉：华中科技大学出版社，20073、JaiP.Agrawai.电力电子系统—理论与设计.北京：清华大学出版社，20014林辉，王辉.电力电子技术.北京：武汉理工大学出版社，20025蔡宣三.高频功率电子学.北京：科学出版社，1993参考文献王兆安.电力电子技术.机械工业出版社，第五版返回