電力電子技術

PowerElectronics電氣學院自動化系陶慧taohui@QQ:65724138緒論1.電力電子技術的概念及內容2.電力電子技術的發(fā)展史3.電力電子技術的應用4.教材內容簡介、課時分配和學習考核1.1電力電子與信息電子信息電子技術——信息處理電力電子技術——電力變換

電子技術一般即指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。模擬電子技術電子技術信息電子技術電力電子技術數(shù)字電子技術電力電子技術:用于電力領域的電子技術。

使用電力電子器件構成電力變換電路，對電能進行變換和控制的技術，包括電壓、頻率、電流、波形等電量的變換技術。電力電子技術變換的“電力”，有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。1.2電力電子技術的主要內容電力電子器件制造技術電力電子技術的基礎，理論基礎是半導體物理電力變換技術（電力電子器件應用技術）用電力電子器件構成電力變換電路和對電力進行控制的技術，以及構成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術。電力電子技術的核心，理論基礎是電路理論。電力——交流和直流兩種從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流電力變換四大類交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1

電力變換的種類進行電力變換的技術稱為變流技術

輸出輸入直流交流交流整流交流電力控制變頻、變相直流直流斬波逆變1.2電力電子技術的主要內容----變流技術電力電子技術是一門多學科交叉形成的新學科1.3與相關學科的關系1.3與相關學科的關系電力電子學(PowerElectronics)名稱60年代出現(xiàn)；圖1的倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受。電力電子學電子學電力學控制理論連續(xù)、離散

電路、器件靜止器、旋轉電機圖1描述電力電子學的倒三角形與電子學（信息電子學）的關系相同點：都分為器件和應用兩大分支，二者同根同源。器件的材料、工藝基本相同，都采用微電子技術。應用的理論基礎、分析方法也基本相同。不同點：器件工作狀態(tài)不同：信息電子電路的器件可工作在開關

狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)。電力電子電路的器件一般

只工作在開關狀態(tài)。電路實現(xiàn)功能不同與電力學（電氣工程）的關系電力電子技術廣泛用于電氣工程中高壓直流輸電靜止無功補償電力機車牽引交直流電力傳動電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源國內外均把電力電子技術歸為電氣工程的一個分支。電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。與控制理論（自動化技術）的關系控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。電力電子技術是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接口?？刂评碚撌沁@種接口的有力紐帶.電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。1.4地位和未來電力電子技術和運動控制一起，和計算機技術共同成為未來科學技術的兩大支柱計算機人腦電力電子技術消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運動控制肌肉和四肢電力電子技術是電能變換技術,是把粗電變?yōu)榫姷募夹g能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質的能源，因此，電力電子技術將青春永駐。20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術，21世紀仍將以迅猛的速度發(fā)展。2.電力電子技術的發(fā)展史

電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱。一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年晶閘管的出現(xiàn)為標志的。晶閘管問世電力電子元年

IGBT出現(xiàn)功率集成器件晶閘管時代水銀(汞弧)整流器時代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展史前期—黎明期19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生它能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術用于電力領域的先河。水銀整流器廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。在這一時期，也應用直流發(fā)電機組來變流。引發(fā)了電子技術的一場革命。

◆晶閘管時代晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組，并且其應用范圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發(fā)展而確立的。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)，這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。全控型器件和電力電子集成電路70年代后期，以門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關斷。采用全控器件的電路的控制方式為脈沖寬度調制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復合了MOSFET和GTO。把驅動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化和產品性能的綠色化。高頻化可使電力電子裝置小型化和高效率(結合軟開關技術）模塊化可減小裝置的體積和裝置的分布參數(shù)綠色化可控制諧波、減小對電網(wǎng)和負載的影響電力電子技術的發(fā)展趨勢3.電力電子技術的應用一般工業(yè)：交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)交通運輸：電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力家用電器：“節(jié)能燈”、變頻空調其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置（1）一般工業(yè)工業(yè)中大量應用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調速的。一些對調速性能要求不高的大型鼓風機，水泵等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。有些并不特別要求調速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電化學工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電力電子技術還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。（2）交通運輸電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。工礦企業(yè)的直流電力機車需要牽引變電所配備整流設備,并利用直流斬波技術調速。鐵路電力機車為交流電力機車，有整流器電力機車和交-直-交流電力機車，需要整流和變頻裝置。在磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。（3）電力系統(tǒng)發(fā)電機勵磁直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置實現(xiàn)。晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質量控制，改善供電質量。在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。我國已經投運的直流工程①舟山直流輸電工程，是我國第一項直流輸電工程，輸送功率50MW，直流電壓100kV，直流電流500A，線路全長54km.②葛洲壩一上?！?00kV,功率1200MW，全長1045km，

③天生橋一廣州±500kV,

1800MW，全長960km④嵊泗直流輸電工程，是海底電纜直流工程，輸送功率60MW，直流電壓50kV，直流電流600A，線路全長66．2km，其中59．7km為海底電纜，6．5km為架空線路

⑤三峽一常州±500kV,功率3000MW，全長860km⑥貴州一廣東±500kV,3000MW，全長882km⑦三峽一廣東500kV,3000MW，全長960km。國家電網(wǎng)近期規(guī)劃13條特高壓（±800kV）直流輸電工程項目,向家壩-上?！?00kV特高壓直流輸電已試運行。（4）電子裝置用電源各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關電源。在大型計算機和醫(yī)院等場合，常常需要不間斷電源（UPS）供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈?？照{、電視機、音響設備、家用計算機，不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術。抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術來起動和調速。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。新能源、可再生能源發(fā)電比如風力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術來緩沖能量和改善電能質量。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，更離不開電力電子技術。（5）家用電器及其他3.電力電子技術的應用目前，國外的70%~80%電能要經電力電子裝置變換和控制后使用；我國僅有35%~40%的電能經電力電子裝置變換和控制后使用。據(jù)國家電監(jiān)委統(tǒng)計，09年我國年發(fā)電總量3.65萬億千瓦時，每年浪費2000億千瓦時(三峽年發(fā)電發(fā)電1000億千瓦時);2014年全國發(fā)電量5.5萬億千瓦時，電力供應已由緊張短缺轉向供需平衡甚至寬松過剩，火力發(fā)電占75%，風力發(fā)電量達到1533億千瓦時，棄風率達12%。我國電能使用效率有待提高。到本世紀二十年代我國將達到70%需經電力電子裝置變換和控制，需經電力電子裝置變換和控制，因此電力電子技術應用非常廣闊。3.電力電子技術的應用電力電子裝置提供給負載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說，電力電子技術研究的也就是電源技術。電力電子技術對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用變頻調速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱為是節(jié)能技術。4.1教材的內容簡介教材的內容可分為四大部分第一部分：電力電子器件

（第1章-----全書的基礎)第二部分：各種電力電子電路（第2~5章-----全書的主體)第三部分：工程設計（第6章-----培養(yǎng)工程意識，選修）第四部分：應用

（第7章，選修）4.2課時分配課時分配：課內教學為40學時實驗為