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电力电子技术基础(大学常用)ppt课件

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电力电子技术基 础(大学常用) 1.1 什么是电力电子技术 ■电力电子技术的概念 ◆可以认为,所谓电力电子技术就是应用于电 力领域的电子技术。 ?电力电子技术中所变换的“电力” 有区别 于“电力系统”所指的“电力” ,后者特指电 力网的“电力” ,前者则更一般些。 ?电子技术包括信息电子技术和电力电子技 术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电 子技术都属于信息电子技术。 2 1.1 什么是电力电子技术 ◆具体地说,电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。 ?电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。 ?变流技术则是电力电子技术的核心。 表1-1 电力变换的种类 输入 输出 交流(AC) 整流 交流电力控制 变频、变相 直流(DC) 直流斩波 逆变 3 直流(DC) 交流(AC) 1.1 什么是电力电子技术 ■电力电子学 ◆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*徊娑纬傻摹 图1-1 描述电力电子学的倒三角形 4 1.1 什么是电力电子技术 ?电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子 器件制造技术的理论基础(都是基于半导体理论) 是一样的,其大多数工艺也是相同的。 电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也 是一致的。 ?电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中,这是电力电 子学和电力学的主要关系。 5 1.1 什么是电力电子技术 各种电力电子装置广泛 应用于高压直流输电、静止 无功补偿、电力机车牵引、 交直流电力传动、电解、励 磁、电加热、高性能交直流 电源等之中,因此,无论是 国内国外,通常都把电力电 图1-2 电气工程的双三角形描述 子技术归属于电气工程学科。在我国,电力电子与电力传 动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电 气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学 科和其他学科的关系,小三角形则描述了电气工程一级学 科内各二级学科的关系。 6 1.1 什么是电力电子技术 ?电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中,它使电力电 子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种 需求。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。而控制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。 另外,控制理论是自动化技术的理论基础,二 者密不可分,而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。 7 1.2 电力电子技术的发展史 ■电力电子技术的发展史 图1-3 电力电子技术的发展史 ◆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晶闸管为标志的。 8 1.2 电力电子技术的发展史 ◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎 明期。 ?1904年出现了电子管,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。 ?20世纪30年代到50年代,水银整流器广泛用于电化学 工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传 动,甚至用于直流输电。这一时期,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 这一时期,也应用直流发电机组来变流。 ?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。 9 1.2 电力电子技术的发展史 ◆晶闸管时代 ?晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能,使 之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组,并且 其应用范围也迅速扩大。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,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。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实 现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。 10 1.2 电力电子技术的发展史 ◆全控型器件和电力电子集成电路(PIC) ?70年代后期,以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极型晶体管 (BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOSFET)为代表的全控型器 件迅速发展。全控型器件的特点是,通过对门极(基极、栅极)的控 制既可使其开通又可使其关断。 ?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。 ?在80年代后期,以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合 型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合,综合了两者的优点。 与此相对,MOS控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管(IGCT) 复合了MOSFET和GTO。 11 1.2 电力电子技术的发展史 ?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。 ?随着全控型电力电子器件的不断进步,电力电子 电路的工作频率也不断提高。与此同时,软开关技 术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗 降为零,从而提高了电力电子装置的功率密度。 12 1.3 电力电子技术的应用 ■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业,也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等,在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆一般工业 ?工业中大量应用各种交直流电动机,都是用 电力电子装置进行调速的。 ?一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等* 年来也采用了变频装置,以达到节能的目的。 13 1.3 电力电子技术的应用 ?有些并不特别要求调速的电机为 了避免起动时的电流冲击而采用了 软起动装置,这种软起动装置也是 电力电子装置。 ?电化学工业大量使用直流电源, 电解



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