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1、电力电子技术,电力电子技术,教 材：王兆安，黄俊 电力电子技术（第4版），机械工业出版社 参考书：（1）陈坚，电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）高等教育出版社，2004.12（2）林辉.王辉.电力电子技术.武汉：武汉理工大学出版社 第1版（3）洪乃刚，电力电子技术，清华大学出版社（4）MDSingh，K电力电子（）清华大学出版社。,绪 论,一、电力电子技术的学科地位二、电力电子技术的内容三、电力电子技术的发展四、电力电子技术的应用五、课程的主要内容和要求,电源,直流电源：,交流电源：,参数：电压、电流、功率,参数：电压、电流、频率、相位 有功功率、有功功率、功率因数,常用直流电能：蓄电
2、池、干电池 特征：电压基本稳定,常用交流电能：交流电网、备用发电机组 特征：电压、频率、相位基本稳定,一、电力电子技术的学科地位,需求背景,电能负载,直流负载：,交流负载：,要求：电压、电流、功率可调,要求：电压、电流、频率、相位 有功功率、有功功率、功率因数可控,一、电力电子技术的学科地位,电能变换,高效、快速、静止的电能变换对国民经济和社会生活至关重要,一、电力电子技术的学科地位,IEEE说法：Power electronics is the technology associated with the efficient conversion,control and conditioni
3、ng of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form,将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技术。,电力电子技术定义,一、电力电子技术的学科地位,国内的主要提法：电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是一 门利用电力电子器件、电路理论和控制技术对电能进行处理、控
4、制和变换的学科，是现代电子学的一个重要分支，也是电工技术的分支之一。使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 电力电子技术是与电能处理相关的技术学科。将电子技术与控制技术应用到电力领域，通过电力电子器件组成各种电力变换电路，实现电能的转换与控制，称为电力电子技术，或电力电子学。,一、电力电子技术的学科地位,电力电子技术属于电子技术范畴信息电子技术 用于信息处理的电子技术（模拟电子技术和数字电子技术）电力电子技术 应用于电力领域的电子技术。（电力电子器件技术和 功率变换技术（变流技术、电能变换技术）,电力电子技术的学科地位,数字电子技术,模拟电子技术,电力电子技术,信息电子技术,电子技术,一、
5、电力电子技术的学科地位,电力电子学（Power Electronics)学科 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。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。通常把电力电子技术 归属于电气工程学科,一、电力电子技术的学科地位,电力电子技术和电子学的关系,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）,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
6、都是电力电子电路,电力电子电路和电子电路,许多分析方法一致，仅应用目的不同,一、电力电子技术的学科地位,电力电子技术与电气工程的关系,电力电子技术广泛用于电气工程和电力系统中,电力电子装置广泛用于高压直流输电、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,通常把电力电子技术归属于电气工程学科,电力电子是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,一、电力电子技术的学科地位,电力电子技术与控制工程的关系,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,电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和
7、强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带,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,一、电力电子技术的学科地位,电力电子技术的特点,它是横跨电力、电子和控制三大电气工程技术之间的交叉学科弱电控制强电的学科交叉技术；所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测量、计算机仿真、CAD）等。多学科知识的综合设计技术,一、电力电子技术的学科地位,电力电子装置的典型结构：,变换电路：由电力电子器件构成不同功能的电路 实现对
8、电能的转换（功率处理器）控制电路：由信息处理电路，采用控制理论，实现对功率处理器控制（信息处理器）,二、电力电子技术的内容,电力电子器件：,电力电子器件机理：电力电子器件可靠性；高低温及极限条件下的器件特性；无源元件集成方法与理论；新型电力电子功率集成芯片与集成模块设计、热模型、电磁干扰分析等。,电力电子器件制造：电力电子器件工艺技术与制造装备备；电力电子器件检测技术与装备。,电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理,三、电力电子技术的内容,电力电子技术的内容,变流技术（电力电子器件应用技术）,电力电子变流技术：,电力电子系统的分析与控制,用电力电子器件构成电力变换电路对电能进行变换与控制的技
9、术，即构成电力电子装置或电力电子系统,是电力电子技术的核心，理论基础是电路理论,三、电力电子技术的内容,各种应用目的的电力电子变流电路；电力电子变流器的智能化、模块化、标准化技术；多种变流器的组合方法和分布式结构技术；,变流器的调制及控制策略；电力电子系统的控制技术；电力电子仿真建模；电力电子系统的设计计算。,电力电子电能 变换形式,三、电力电子技术的内容,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。1957年发明晶闸管是极为重要的标志,三、电力电子技术的发展,电力电子器件的发展,1904年：电子管问世；之后出现了汞弧整流
10、器。汞弧整流器：把水银封于真空管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行控制，其性能和晶闸管很相似。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。1956年：美国研制出了最先用于电力领域的半导体器件硅整流二极管（SR）。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。1957年：美国通用电气公司发明了晶闸管（SCR），（即普通反向阻断型可控硅）。它标志着电力电子技术的诞生。但在此之前，用于电力变换的电子技术就已经存在了，把晶闸管出现前的时期称为史前期或黎明期。,三、电力电子技术的发展,到了70年代：晶闸管形成了从低压小电流到高压大 电流
11、的系列产品。从70年代开始，在其后的30年时间里，相继出现了一系列晶闸管 的派生器件：不对称晶闸管（ASCR）逆导晶闸管（RCT）双向晶闸管（TRIAC）光控晶闸管（LASCR）晶闸管派生器件 快速晶闸管（FST）高频晶闸管 可关断晶闸管（GTO）集成门极换流晶闸管（IGCT）MOS栅控晶闸管（MCT）,三、电力电子技术的发展,在晶体管问世20多年后，用于电力变换的功率晶体管（GTR）才进入到工业应用领域，到了80、90年代，GTR广泛应用于小 功率的电路中。在70年代后期，功率场效应晶体管（MOSFET）开始进入实 用阶段，80年代取得了很大的进展。在80年代后期，又出现了绝缘栅双极型晶体管
12、（IGBT），它集 MOSFET、GTR、GTO（可关断晶闸管）的优点于一身，在大 容量、高频率的电力电子电路中表现出非凡的性能。多年来，为了提高电力电子装置的功率密度以减小体积，把多 个大功率器件组成的各种单元与驱动、保护电路集成一体，构 成了功率集成电路（PIC）。随着微电子技术的发展，在80年代又诞生了智能功率模块（IPM），它将具有驱动、保护、诊断功能的IC与电力半导体器 件集成在一个模块中，并可用于10100kW功率等级的电力电 子系统中。,三、电力电子技术的发展,三、电力电子技术的发展,目前电力电子器件水平,三、电力电子技术的发展,电力电子电能变换与控制技术发展,30年代50年代：
13、是汞弧整流器发展迅速并大量应用的时期。,直流调速：交流电动机直流发电机系统。,50年代后：不控整流器开始使用,三、电力电子技术的发展,60年代：晶闸管变换器开始使用，目前在直流 调速、高压直 流输电、直流电源、电阻炉等中大量使用。,70年代：开始研制晶闸管逆变器，交流调速开始使用，目前强 迫换流晶闸管逆变器被淘汰，负载换相逆变器大量使用，主要领域为中频电源、负载换流变频调速。,80年代：晶体管功率变换器开始使用，交流调速技术有较大 规模发展，大功率晶闸管变换器被IGBT等电压控制型器件 代替。,90年代：IGBT功率变换器大量使用，大幅提高了功率变换器 的功率、电压、性能。,四、电力电子技术的
14、应用,电力驱动与伺服控制直流电力驱动与伺服控制：驱动电机：直流电机，功率变换形式：AC/DC、DC/DC（斩波）应用：轧钢、造纸、电动车、电动工具等直流电力驱动将逐步被交流驱动替代,交流电力驱动与伺服控制驱动电机：交流电机（异步电机、同步电机、无刷直流电机）功率变换方式：AC/DC/AC（DC/AC）、AC/AC现代电力驱动的发展趋势应用：轧钢、造纸、电动车辆、电力机车、舰船驱动、武器装备、印刷、机床、航空航天、家用电器、节能（风机、水泵、压缩机等）等,四、电力电子技术的应用,四、电力电子技术的应用,大功率交流驱动应用范围,四、电力电子技术的应用,四、电力电子技术的应用,直流电源功率变换：AC
15、/DC、DC/DC、应用：整流电源（电镀、电解）；开关电源：控制系统电源、家电、,四、电力电子技术的应用,电源,交流电源功率变换：AC/AC DC/AC应用：交流稳压电源、中频电源、应急电源、UPS等,四、电力电子技术的应用,风力发电,四、电力电子技术的应用,发电,功率变换：AC/DC DC/AC(变速恒频发电）,太阳能发电：,四、电力电子技术的应用,功率变换：DC/DC DC/AC,燃气轮机发电,四、电力电子技术的应用,功率变换：AC/DC DC/AC,（变速恒频发电）,发电机励磁控制,四、电力电子技术的应用,功率变换：AC/DC DC/DC,（变速恒频发电）,无功补偿,四、电力电子技术的应
16、用,电力系统,有源滤波,四、电力电子技术的应用,直流输电,四、电力电子技术的应用,灵活交流输电,四、电力电子技术的应用,电流限制器,四、电力电子技术的应用,电力电子变压器,四、电力电子技术的应用,四、电力电子技术的应用,照明,五、课程的主要内容,五、课程的主要内容,电力电子器件重点介绍晶闸管的基本结构、工作原理、主要参数、应用特性，以及驱动、缓冲、保护、串并 联等器件应用的共性问题和基础性问题 以器件的应用为目的而展开，基本上不涉及器件的制造工艺 了解IGBT、电力MOSFET、电力晶体管的原理、特性及应用基础问题,五、课程的主要内容,电力电子变换重点：整流电路的电路拓扑、工作原理、工作波形及计算有源逆变电路的拓扑、工作原理、工作波形及计算升压斩波、降压斩波、可逆斩波的电路拓扑、工作原理及波形逆变电路基本拓扑、工作原理及波形一般了解电力电子装置的运行问题脉宽调制技术交流调压直接变频软开关,
