《电力电子技术》课件第1章.ppt

1、第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 电力电子器件与应用电力电子器件与应用 n 电力电子器件概述电力电子器件概述n 电力二极管电力二极管n 晶闸管及派生器件晶闸管及派生器件n 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOn 电力晶体管电力晶体管GTRn 电力场效应晶体管电力场效应晶体管Power MOSFETn 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBTn 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件n 电力电子器件的保护电力电子器件的保护n 电力电子器件的串并联电力电子器件的串并联本课程主要内容本课程主要内容第三章第三章 交流交流-直流直流变换技术变换技术n相控整流电路相控整流电路n整流电路的谐波和功

2、率因数整流电路的谐波和功率因数n大功率整流大功率整流n有源逆变有源逆变第四章第四章 直流直流-直流变换技术直流变换技术n非隔离型非隔离型DC-DC变换电路变换电路n隔离的隔离的DC-DC变换电路变换电路第五章第五章 直流直流-交流变换技术（逆变器）交流变换技术（逆变器）n逆变电路概述逆变电路概述n电压型逆变电路电压型逆变电路n电流型逆变电路电流型逆变电路n逆变电路的逆变电路的SPWM控制技术控制技术本课程主要内容本课程主要内容第六章第六章 交流交流-交流交流变换变换n 相控相控/斩波斩波/整周波整周波控制控制交流调压电路交流调压电路n 交交交变频电路交变频电路n 矩阵变频电路矩阵变频电路第七章

3、第七章 软开关技术软开关技术第八章第八章 电力电子装置电力电子装置n 开关电源开关电源n 不间断电源不间断电源n 静止无功补偿装置静止无功补偿装置n 电力储能系统电力储能系统n 电力电子器件的发热与散热电力电子器件的发热与散热n 电力电子技术在可再生能源中的应电力电子技术在可再生能源中的应第九章第九章 教学实验教学实验本课程主要内容本课程主要内容1.1 电力电子技术的概念及特点电力电子技术的概念及特点1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介第一章第一章 绪论绪论 电力电子技术：电力电子技术：应用于电

4、力领域的电子技术，应用于电力领域的电子技术，它是它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一门学科利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一门学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电电力半导体器件力半导体器件。信息电子技术：信息电子技术：主要用于信息处理主要用于信息处理 电力电子技术：电力电子技术：主要用于电力变换。主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。随变换技术和控制技术的发展而发展的。电子技术电子技术信息电子技术信息电子技术模拟电子技术模

5、拟电子技术数字电子技术数字电子技术电力电子技术电力电子技术1.1 电力电子技术及特点电力电子技术及特点 电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样系统那样高电压、大电流高电压、大电流场合应用的电子技术。场合应用的电子技术。考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。器件的运行都采用器件的运行都采用开关方式开关方式。这种这种开关运行方式开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。就是电力电子器件运行的特点。1.1 电力电子技术及特点电力电子技术及特点1.1 电力电子技术及特点电力电子技术及特点1.1

6、 电力电子技术及特点电力电子技术及特点 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变换的种类逆变直流斩波直流(DC)交流电力控制变频、变相整流交流(AC)交流(AC)直流(DC)输出 输入 电力电子这一名词是电力电子这一名词是60年代出现的。电力电子学年代出现的。电力电子学可以用图可以用图1.1的倒三角来描的倒三角来描述。述。可以认为电力电子学可以认为电力电子学由由电力学、电子学和控制电力学、电子学和控制理论理论三个学科交叉而形成三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普的。这一观点被全世界普遍接受遍接受

7、。图图1.1描述电力电子技术的倒三角形描述电力电子技术的倒三角形 1.1 电力电子技术及特点电力电子技术及特点n电力电子技术与电子学的关系电力电子技术与电子学的关系 电子学电子学:电子器件电子器件 +电子电路电子电路电力电子：电力电子器件电力电子：电力电子器件+电力电子电路电力电子电路相同：从器件制造技术上讲两者同根同源，相同：从器件制造技术上讲两者同根同源，电路的分析方法，电路的分析方法，不同：应用目的不同，前者用于信息处理，不同：应用目的不同，前者用于信息处理，后者用于电力变换。后者用于电力变换。1.1 电力电子技术及特点电力电子技术及特点n电力电子学和电力学的关系电力电子学和电力学的关系

8、 “电力学电力学”就是就是“电工科学电工科学”或或“电气工程电气工程”。电力电子技术广泛应用于电气电力电子技术广泛应用于电气工程中。工程中。因此，把电力电子技术归于电因此，把电力电子技术归于电气工程学科，电力电子技术是电气工程学科，电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分气工程学科中最为活跃的一个分支。支。1.1 电力电子技术及特点电力电子技术及特点n电力电子学和控制理论的关系电力电子学和控制理论的关系 控制理论广泛用于电力电子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技术中，它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善。统的性能日益优越和完善。电力电子技术可以看作弱电电力电子技术

9、可以看作弱电控制强电的技术，是弱电和强电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。之间的接口。控制理论则是实现这种接口的强有力的纽控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带。带。1.1 电力电子技术及特点电力电子技术及特点n电力电子技术的发展史如图所示。电力电子技术的发展史如图所示。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展是以电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展史为纲电力电子器件的发展史为纲的。的。1876年：年：硒整流器硒整流器 1904年：年：电子管电子管，它能在真空中对电子流进行控，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开创了电子技术之先制，

10、并应用于通信和无线电，从而开创了电子技术之先河。河。1911年：年：水银整流器水银整流器，它把水银封于管内，利用，它把水银封于管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行有效控制，其性能与晶对其蒸气的点弧可对大电流进行有效控制，其性能与晶闸管类似。闸管类似。在在30年代到年代到50年代，是水银整流器发展迅速并广年代，是水银整流器发展迅速并广泛应用时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变泛应用时期。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。电所以及轧钢用直流电动机的传动。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史 1953年：年：锗功率二极管锗功率二极管 1954

11、年：年：硅二极管硅二极管，普通的半导体整流器开始使用。，普通的半导体整流器开始使用。1957年：年：晶闸管晶闸管诞生，一方面由于其变换能力的突破，诞生，一方面由于其变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组，进而控制，使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组，进而使电力电子技术步入了功率领域。使电力电子技术步入了功率领域。变流装置由旋转方式变为静止方式变流装置由旋转方式变为静止方式，具有提高效率、，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等缩小体积、减轻重量

12、、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。因此，由于其优越的电气性能和控制性能，在工业优点。因此，由于其优越的电气性能和控制性能，在工业上引起一场技术革命。上引起一场技术革命。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史 在以后的在以后的2020年内，晶闸管特性不断提高，晶年内，晶闸管特性不断提高，晶闸管形成了从低电压小电流到高电压大电流的系闸管形成了从低电压小电流到高电压大电流的系列产品。列产品。同时研制出一系列同时研制出一系列晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件，如，如快快速晶闸管速晶闸管FSTFST、逆导晶闸管、逆导晶闸管RCTRCT、双向晶闸管、双向晶闸管TRIACTRIAC、光控晶闸

13、管、光控晶闸管LTTLTT等器件。等器件。推动了各种电力变换器在冶金、电化学、电推动了各种电力变换器在冶金、电化学、电力工业、交通、矿山等行业中的应用，促进了工力工业、交通、矿山等行业中的应用，促进了工业技术的进步，形成了以晶闸管为核心的电力电业技术的进步，形成了以晶闸管为核心的电力电子技术发展的第一阶段，即传统电力电子技术阶子技术发展的第一阶段，即传统电力电子技术阶段。段。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史n20世纪世纪70年代后期：年代后期：门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO 电力双极型晶体管电力双极型晶体管GTR 电力场效应晶体管电力场效应晶体管Power MOSF

14、ET 优点：优点：全控型器件，可自关断，全控型器件，可自关断，开关速度高，开关速度高，可以用于开关频率较高的电路。可以用于开关频率较高的电路。第二代：自关第二代：自关断全控型器件断全控型器件1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史n80年代：年代：绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBT为代表的第三代为代表的第三代复合型场控半导体器件复合型场控半导体器件，另外还有，另外还有静电感应式晶体管静电感应式晶体管SIT，静电感应式晶闸管，静电感应式晶闸管SITH，MOS 晶闸管晶闸管MCT等。等。这些器件有很高的开关频率，为几十到几百千赫这些器件有很高的开关频率，为几十到几百千赫兹，有

15、更高的耐压，电流容量大，可以构成大功率、兹，有更高的耐压，电流容量大，可以构成大功率、高频的电力电子电路。高频的电力电子电路。n80年代后期：电力半导体器件的发展趋势是年代后期：电力半导体器件的发展趋势是模块化、模块化、集成化集成化、按照电力电子电路的各种拓扑结构，将多个、按照电力电子电路的各种拓扑结构，将多个相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装在一个模块中，这样可以缩小器件体积、降低成本、在一个模块中，这样可以缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。提高可靠性。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史n当今：第四代电力电子器件当

16、今：第四代电力电子器件-集成功率半导集成功率半导体器件体器件PICPIC。它将它将电力电子器件电力电子器件与与驱动电路驱动电路、控制电控制电路路及及保护电路保护电路集成在一块芯片上，集成在一块芯片上，开辟了电开辟了电力电子器件智能化的方向，应用前景广阔。力电子器件智能化的方向，应用前景广阔。目前经常使用的目前经常使用的智能化功率模块智能化功率模块IPM，除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障检测电路，并可将监过压、过流、过热等故障检测电路，并可将监测信号传送至测信号传送至CPUCPU，以保证，以保证IPMIPM自身不受损害。自身不

17、受损害。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史 现代电力电子技术的主要特点是：现代电力电子技术的主要特点是：1全控化全控化 自关断器件实现了全控化，取消了传统复杂自关断器件实现了全控化，取消了传统复杂换相电路，使电路大大简化。换相电路，使电路大大简化。2集成化集成化 所有的全控型器件都是由许多单元器件并联所有的全控型器件都是由许多单元器件并联在一起，集成在一个基片上。在一起，集成在一个基片上。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史3高频化高频化 器件集成化，提高了器件的工作速度，例如器件集成化，提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在可工作在10KHz以下，以下，I

18、GBT工作在几十工作在几十KHz以上，功率以上，功率MOSFET可达数百可达数百KHz以上。以上。4高效率化高效率化 高效率体现在高效率体现在器件器件和和变换技术变换技术两个方面。两个方面。电力电子器件的导通压降不断减少，降低了导电力电子器件的导通压降不断减少，降低了导通损耗。器件开关的上升和下降过程加快，也通损耗。器件开关的上升和下降过程加快，也降低了开关损耗。降低了开关损耗。变换器中采用的软开关技术使得运行效率得变换器中采用的软开关技术使得运行效率得到进一步提高。到进一步提高。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史5变换器小型化变换器小型化 器件的高频化、多单元集成化，控制电

19、路的高器件的高频化、多单元集成化，控制电路的高度集成化和微型化，使得主电路的体积、滤波电路度集成化和微型化，使得主电路的体积、滤波电路和控制器的体积大大减小。和控制器的体积大大减小。6电源变换绿色化电源变换绿色化 电力电子技术中广泛采用电力电子技术中广泛采用PWM、SPWM、消除消除特定次谐波和多重化技术特定次谐波和多重化技术，使得变换器的谐波大为，使得变换器的谐波大为降低，同时也使变换器的降低，同时也使变换器的功率因数功率因数得到提高，进而得到提高，进而使得变换电源绿色化。使得变换电源绿色化。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史7改善和提高供电网的供电质量改善和提高供电网的供

20、电质量 静止无功发生器静止无功发生器SVG，有源电力滤波器，有源电力滤波器等新型等新型电力电子装置，具有优越的无功功率和谐波补偿电力电子装置，具有优越的无功功率和谐波补偿的性能，因此大大提高了电网的供电质量。的性能，因此大大提高了电网的供电质量。8电力电子器件的容量和性能的优化电力电子器件的容量和性能的优化 近年来，近年来，碳化硅碳化硅SiC、金刚石、金刚石等新材料用于电等新材料用于电力电子器件，特别是金刚石器件与硅器件相比，力电子器件，特别是金刚石器件与硅器件相比，功率可提高到功率可提高到106数量级，频率提高数量级，频率提高50倍，导通倍，导通压降降低一个数量级，最高结温可达压降降低一个数

21、量级，最高结温可达600。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展历史1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 电力电子技术应用范围十分广泛，国防军事、工业、电力电子技术应用范围十分广泛，国防军事、工业、能源、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、能源、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等乃至家用电器。新能源系统等乃至家用电器。1一般工业一般工业轧钢机数控机床1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用冶金工业电解铝1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用2交通运输交通运输1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用3电力系

22、统电力系统静止无功发生器静止无功发生器S高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用4 4电源电源大型计算机的UPS高频逆变整流流焊机 1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用4电源电源 程控交换机微型计算机1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用5照明照明电子镇流器1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用6 6新能源开发和利用新能源开发和利用新能源、可再生能源发电比如风新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用电力力发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质电子技术来缓冲能量和改

23、善电能质量。当需要和电力系统联网量。当需要和电力系统联网 时，更时，更离不开电力电子技术。离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。技术的用武之地。1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用7环境保护环境保护总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。高压静电除尘高压静电除尘1.4 1.4 教材内容简介教材内容简介电力电子技术教材结构第二部分全书的主体第一部分全书的基础第三部分全书的深入第2章电力电子器件第3章整流 电路第7章软开关技术第5章逆变电路第6章交流控制电路和交交变频电路第4章直流直流电路第8章电力电子装置第9章教学实验本章完