1、1,电力电子技术 Power Electronics,2,希望大家遵守课堂纪律，有事书面请假，不要随意旷课。不定时点名，作为平时成绩的考评标准之一。 平时成绩占总成绩的20%，包括考勤和平时作业。 另外本课程有实验，实验成绩计入总成绩，占10%，期末考试占70%。 课堂请勿接打电话，以免影响他人学习。,3,第一章 绪 论,四、电力电子技术应用,三、电力电子技术的发展史,一、电力电子技术及特点,二、电力电子技术研究的内容,五、本教材内容简介,4,一、电力电子技术及特点,1.IEEE定义：电力电子技术（Power Electronics）：有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工
2、具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。,解释 电子技术包括： 信息电子技术 和 电力电子技术。 信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术。 目前电力电子器件均用半导体制成，也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至1W以下。 电力电子技术主要用于电力变换而信息电子技术主要用于信息处理。,5,电力电子技术包括：电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分。 其中电力电子器件是电力电子技术发展的基础和关键。,图1-1 电力电子变换系统框图,6,2. 电力电子技术和其它学科的关系 电力电子实际上是一门交叉学科。P
3、ower Electronics名称60年代出现。 1974年，美国的W. Newell用图1-2的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。,图1-2 描述电力电子学的倒三角形,7,电力电子技术和电子学的关系（1）,电子学中的电子器件 对应于 电力电子器件 电子学中的电子电路 对应于 电力电子电路电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的。 大多数工艺也相同，现代电力电子器件制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，二者同根同源。,8,电力电子技术和电子学的关系（2）,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：
4、 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，其电源部分都是电力电子电路； 器件的工作状态：信息电子，既可处于放大状态，也可工作在开关状态；电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态 。,9,电力电子技术与电力学的关系,主要关系：电力电子技术广泛用于电力工程中。 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、交直流电力传动等电力系统和电气工程中。 电力电子技术是电气工程学科中目前最为活跃的分支。有人预言：电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。,10,电力电子技术与控制理论的关系,控
5、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，电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑。,11,3. 电力电子技术分支和特点：,分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。 特点 电力电子技术的发展集中体现在电力电子器件的发展上； 这些器件一般均工作在开关状态，这是重要特征；,12,二、电力电子技术的发展概述,四个阶段 史前期（1957年以前）：使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。这段时间，各种整流、逆变、周波变流的电路和理
6、论已经成熟并广泛应用。 晶闸管时代（195770年代）： 全控型器件时代（70年代后期）： 复合器件时代（80年代中后期）：,即为电力电子器件的发展史。以1957年美通用电气公司第一只晶闸管的诞生为标志，标志电力电子器件和技术的诞生。,13,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,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),14,1、电力电子技术的史前期,晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在： 在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它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
7、至用于直流输电； 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。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式；,15,2、晶闸管时代（1957年开始）,传统的电力电子时代 晶闸管 SCR(Silicon Controlled Rectifier)可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。 晶闸管因其电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动）、电力工业（直流输电）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。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
8、技术的发展而确立的。 目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。,16,3、全控型器件时代（70年代后期）,GTO 可关断晶闸管BJT(GTR) 电力双极型晶体管 Power-MOSFET 电力场效应管 这些器件可以通过门极（或栅极、基极）控制开通和关断。 和SCR电路的相位控制方式相对应，全控型器件电路常使用脉冲宽度调制（PWM Pulse Width Modulation）方式进行控制。,17,4、复合型器件时代（80年代后期）,复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT Insulated-Gate Bipolar Tran
9、sistor）为代表：IGBTMOSFETBJT 它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越。 与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。 功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向 。,18,器件实现了多功能化，不但具有开关功能，还增加了保护、检测、驱动等功能，有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能，使强电与弱电
10、达到了完美的结合，应用电路结构大为简化，电力电子应用范围进一步拓宽。功率集成电路又分为高压集成电路HVIC和智能功率集成电路SPIC，而IPM则是IGBT的智能化模块。目前PIC和IPM器件的发展非常迅速。,19,5、电力电子技术的前景,电力电子器件发展的目标是：大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化。 新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术。 电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。,20,三、电力电子技术研究的内容,包括三个方面： 电力电子器件 变流电路 控制电路,21,1、电力电子开关器件,一般特征（与信息处理器件比较）表
11、现在以下几个方面： 1)电力电子器件所能处理电功率的大小。 2)电力电子器件一般工作于开关状态。 3)电力电子器件需要由信息电子电路控制。 4)由于耗散功率大，在器件封装时需考虑散热设计及工作时外部需安装散热器。,22,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,1）半可控器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（PowerMOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管GTR,3）不控型器件,电力二极管（Power Diode）常见的有大功率二极管、快速恢复二极管及肖特基二极管。 只有两个端子，器
12、件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,2）全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,电力电子器件的分类,23,基本分类,按电力电子器件的驱动性质可以将器件分为电压型和电流型器件。 1、电流型器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通，因而一般情况下需要较大的驱动功率，这类器件有SCR、GTR、GTO等。 2、电压型器件的导通只需要有足够的电压和很小的驱动电流，
13、因而电压型器件只需很小的驱动功率，这类器件有IGBT、MOSFET、MCT等。,24,基本分类,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 1、双极型电力电子器件：是指器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件,这类器件具有通态压降低、阻断电压高、电流容量大等优点,适用于中大容量的变流装置和电动机的驱动控制。 这类器件有巨型晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。,25,基本分类,2、单极型电力电子器件：是指器件内只有多数载流子参与导电过程的半导体器件,这类器件具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽、电流负温度系数良好
14、的电流自动调节能力等优点,适用于中小功率、开关频率高的变流装置和电动机的驱动控制,。 这类器件包括有功率场效应晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)等。,26,基本分类,3、混合型电力电子器件：是由双极型和单极型两种器件混合集成。 利用耐高压、电流容量大的双极型器件(如SCR、GTR、GTO)作为输出级; 利用输入阻抗高、频率响应快的单极型器件(如MOSFET)作为输入级。 从而具备双极和单极器件的优点。这类器件有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS晶体管(MCT)、功率集成电路(PIC)等,其中功率集成电路PIC分为高压集成电路(HVIC)和智能功率集成电路(SPIC)。,27,2
15、、电力电子应用系统组成,电力电子应用系统或变流电路：以电力半导体器件为核心，通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电能的转换和控制，。 由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。,图1-3 电力电子应用系统或变流电路,28,控制电路通过检测电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。主电路和控制电路连接的路径上，一般需要进行电气隔离，通过其它手段如光、磁等来传递信号。主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行。,29,电力电子电路有四种换流方式,1、电源换流。由电源电压极性改变向导
16、通元件提供反向封锁电压使其关断。这种换流方式只适用于交流电源供电，以不控或半控开关器件组成的变流电路，如整流器等。 2、负载换流。由负载电压或电流极性改变向导通元件施加反向封锁电压使其关断。它用于直流供电、负载可振荡的直流交流变换电路。 3、强迫换流。由外部电路向导通元件强行提供反向封锁电压或从导通元件控制极施加关断信号迫使其关断。这种方式常见于晶闸管直流直流变换电路和所有斩控式变换电路。 4、无换相方式。负载电流因方向改变过零使原来导通元件自行关断。这种方式见于晶闸管交流电压控制器。,30,3、电力电子功率变换的基本类型,常见的电力变换种类,31,（1）ACDC变换,定义：把交流电压变换成固
17、定或可调的直流电压，即为ACDC变换。 传统的ACDC变换是利用晶闸管和相控技术，依靠电网电压换流实现的。其主要特点是控制简单，运行可靠，适宜超大功率应用。存在的问题是产生低次谐波，对电网是滞后功率因数的负载，这种非线性负载的迅速增多对电网产生了严重影响。 20世纪80年代后期，开始采用PWM技术和静电感应晶闸管构成有源电网调节器，它同时具有滤波和无功补偿的功能。,32,（2）DCAC变换,定义：把直流电变换成频率固定或可调的交流电通常被称为逆变器DCAC。 按电源性质可分为电压型和电流型。 按控制方式可分为六拍(六阶梯)方波逆变器、PWM逆变器和谐振直流环节(软性开关)逆变器。 按换流性质可
18、分为依靠电网换流的有源逆变和自关断元件构成的无源逆变。 逆变装置主要被用于机车牵引、电动车辆和其他交流电机调速、不间断电源(UPS)系统、APLC系统和感应加热。,33,（3）ACAC变换,定义：把固定或变化的交流频率、电压变换成可调或固定的交流频率、电压即为ACAC变换，通常称为变频器。 传统的交交变频采用晶闸管相控技术，可运行于有环流模式，通过对环流大小进行控制，可以使输人端的无功功率不随负载而变化。,34,交交变频器的新发展是基于PWM变换理论的矩阵式变换器。采用9只交流开关(由具有反向阻断能力的自关断器件反并联构成)组成一个半导体阵列。 其优点是在所有工作范围内总可以保持功率因数为1。
19、 困难之处是高频PWM开关的阻断能力往往不对称。,35,（4）DCDC变换,定义：把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压即为DCDC变换器。 按变换电压体制可分为降压式、升压式和升降压式。 按线路拓扑可分为单端、双端及桥式电路。通常以直流PWM方式控制。 DCDC变换器广泛地用于计算机电源、各类仪器仪表、直流电机调速及金属焊接等。 谐振型开关技术是DCDC变换的新发展，可减小变换器体积、重量并提高可靠性。,36,（5）控制方式,控制电路的主要功能是为变换器拓扑中功率器件提供门极(控制极)驱动信号。 主要由时序控制、各种保护电路、电位隔离及驱动功率放大等部分组成，完成输入电能对负载的接
20、通和断开，从而实现所需的能量控制与形式变换。,37,电力电子电路控制方式一般都按器件开关信号与控制信号间的关系分类。 1、相控型。器件开通信号相位，即导通时刻的相位，受控于控制信号幅度的变化。晶闸管相控整流和交流调压电路均采用这种方式。,38,2、频控型。用控制电压的幅值变化来改变器件开关信号的频率，以实现器件开关工作频率的控制。这种控制方式多用于直流-交流变换电路中。 3、斩控型。器件以远高于输入、输出电压工作频率的开关频率运行，利用控制电压(即调制电压)的幅值来改变一个开关周期中器件导通占空比，如PWM，从而实现电能的变换与控制。,39,四、电力电子技术应用,电力电子技术应用非常广泛，国防
21、军事、工业、交通、农业、商业、文体、医药等以至家用电器无不渗透着电力电子技术的新成就。(1)电机调速(2)电源(3)电源电网净化技术(4)电力控制和电能传输(5)照明(6)新能源开发及新蓄能系统,40,(1)电机调速,电力电子在交、直流电机调速中的应用可归纳为两个目的： 一是运动控制，为了满足自动化生产线、特殊生产工艺及某些品质要求对电机进行调速控制。 第二个目的是节约电能。,41,42,轧钢机,数控机床,冶金工业,43,在运动控制中的主要应用领域有： 电动汽车及各种电瓶车、地铁、轻轨车以及机车牵引、超导磁悬浮铁道系统； 石油工业中钻井机械、石油精炼及采油械； 轧钢工业中可逆热轧机、热连轧轧机
22、等； 港口机械中翻车机、输送机、码头起重机、堆料机、 各类起重机械及矿井提升机、机床及各种自动化生产线、高炉控制系统等。,44,在节能运行控制中主要应用于交流电动机的变频调速。随着电力电子技术的飞速发展，SFC技术已进入与直流调速相媲美和相竞争的阶段，并有取而代之的趋势。SFC技术在电力系统的应用主要有两个方面： 发电厂的风采、水泵使用变频调速控制，会具有非常大的节电效益。 抽水蓄能机组采用SFC技术，可减小机组起动过程对电网的冲击，并且机组在低水头运行时，还可提高机组的效益。 近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到
23、数千kW的变频调速装置，软起动装置等；用电效率明显提高，使节电达到30%以上。,45,(2)电源,电力电子应用的另一个重要的领域是在各种各样的电源中。根据工业过程的需要，电源通常需要变换成各种各样的波形和功率等级，而在各个领域的需求又是千差万别的，因而电源的需求和品种非常之多。 弧焊电源、通信用电源、小型化开关电源、不间断电源(UPS)感应加热电源、超声波发生器、微波炉等设备电源。 在军事应用中主要是雷达脉冲电源、声纳及声发射系统、武器系统、电子对抗、军用电子系统和通讯系统电源、飞机变速恒频(VSCF)电源。,46,程控交换机,电子装置,微型计算机,47,(3)电源电网净化技术,解决电力电子设
24、备谐波污染的主要途径有两条： 1、对电网实施谐波补偿 2、对电力电子设备自身进行改进。,48,(4)电力控制和电能传输,作为供电系统调节负载的方法，发电厂广泛采用变速抽水蓄能发电进行功率调节，在夜里利用多余的能量驱动涡轮(泵)，将水储备到处于较高位置的水库中，在白天重载时，利用 储存的水力发电。在抽水蓄能发电设备中，水泵水轮机的转速是通过其转子上的交流励磁 来控制的，采用交-交变换器励磁，可根据负载要求灵活控制发电量。这种功率调节也可由蓄电池及变频系统构成。 柔性交流输电系统其作用是对发电输电系统的电压和相位进行控制。其技术实质类似于弹性补偿技术。,49,3、电力系统,SVC,高压直流装置HV
25、DC,柔性交流输电FACTS,50,高压直流输电(HVDC)为了从根本上解决输电系统的稳定性问题，减少线路无功损耗，研究发展了远距离、大功率高压直流输电系统，它需在线路两端设置整流、逆变及无功补偿装置。这些新技术当前在日本、欧洲和北美应用得比较广泛。功率器件主要采用SCR、GTO和SITH。 静止无功补偿器（SVC）。SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。SVC可以有不同的回路结构，按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管投切电抗器（TSR）或晶闸管控制电抗器（TCR）。,51,用户电
26、力技术 CP技术和FACTS技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力； 发展CP的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。 CP和FACTS 共同基础技术是电力电子技术，各自的控制器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值不同，二者的融合是一种趋势。 具有代表性的用户电力技术产品有：动态电压恢复器（DVR），固态断路器（SSCB），故障电流限制器（FCL），统一电能质量调节器（PQC）等。,52,(5)照明,照明用电占美国总发电量的24%，在我国占12%。白炽灯发光效率低、热损耗大，现在广泛采用了日光灯。但是，日光灯
27、必须要有扼流圈(电感)启辉，全部电流要流过扼流圈，无功电流较大，不能达到有效节能。 近年来，电子镇流器的出现，较好地解决了这个问题。电子镇流器就是一个AC-DC-AC变换器。如用于2040W的日光灯，其体积要比相应功率的扼流圈要小，可以减少无功电流和有功损耗。据美国统计，每盏灯每年可节电3070美元，可见其节能效益。,53,54,(6)新能源开发及新蓄能系统,太阳电池和燃料电池等新直流发电系统、电池蓄能和超导蓄能等新型直流蓄能系统正在迅速发展，需要采用逆变技术与电力系统联网或直接变换为负载要求的体制。 风力、潮汐发电变换都需要采用电力电子装置。,55,大型计算机的UPS,航天技术,新型能源,56,1.4 本教材的内容简介,本教材的内容,57,学习电力电子技术课程的基本要求是： (1) 熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确选择和使用它们。 (2) 熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。 (3) 了解各种开关元件的驱动电路、保护电路和缓冲电路。 (4) 了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。 (5) 掌握基本实验方法、训练基本实验技能。,58,Thank You !,59,THE END,
