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电力电子技术,姓名王立夫Emailwlfkz电话13731797954办公室综合楼1326,课程说明,出勤随机抽查，缺席3次取消考试资格未到请假以假条为准迟到算缺席,作业提前通知，按时提交,学委代收一次未交算缺席一次,考试平时*30试卷*70,1．王兆安，黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，20012．王云亮．电力电子技术．电子工业出版社，20043．张崇巍，张兴．PWM整流器及其控制．机械工业出版社，20034．华伟，周文定．现代电力电子器件及其应用．北方交通大学出版社，20025．陈坚．电力电子学-电力电子变换和控制技术．高等教育出版社，20026．浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2004,本课程参考资料,课程的性质、目的和任务,,本课程是自动化专业必修的专业基础课。,本课程的目的和任务熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围。,同时，为自动控制系统等后续课程打好基础。,,3.掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理。,1.熟悉和掌握晶闸管SCR、电力MOSFET、IGBT等电力电子器件的结构、原理、特性和使用方法；,2.熟悉和掌握整流电路、直流斩波电路、交流交流电力变换电路和逆变电路的结构、工作原理、波形分析和控制方法。,4.了解电力电子技术的应用范围和发展动向。,5.了解电力电子装置的原理和基本组成。,课程的基本要求,第一章绪论第二章电力电子器件与应用电力二极管晶闸管及派生器件电力双极型晶体管GTR电力场效应晶体管PowerMOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT其他新型电力电子器件电力电子器件的缓冲电路和串并联,本课程主要内容,第三章AC/DC变换技术相控整流电路相控整流电路设计方法PWM整流电路第四章DC/DC变换技术直接的DC/DC变换电路变压器隔离的DC/DC变换电路第五章DC/AC变换技术（逆变器）逆变的原理及换流方式电压型逆变电路逆变电路的SPWM控制技术,本课程主要内容,,第六章AC/AC变换交流调压电路交交变频电路矩阵变频电路第七章软开关技术第八章电力电子装置开关电源不间断电源静止无功补偿装置电力储能系统电力电子器件的发热与散热电力电子技术在可再生能源中的应用,本课程主要内容,1.1电力电子技术及特点1.2电力电子技术的发展历史1.3电力电子技术的应用1.4电力电子技术的未来发展方向和前景1.5电力电子技术研究的内容,第一章绪论,电力电子技术应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。,电子技术,信息电子技术,,模拟电子技术数字电子技术,电力电子技术,,1.1电力电子技术及特点,电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压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。器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。,1.1电力电子技术及特点,电力电子这一名词是60年代出现的。电力电子学可以用图1.1的倒三角来描述。可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。,图1.1描述电力电子技术的倒三角形,1.1电力电子技术及特点,电力电子技术与电子学的关系电子学电子器件电子电路电力电子电力电子器件电力电子电路,相同从器件制造技术上讲两者同根同源，电路的分析方法，不同应用目的不同，前者用于信息处理，后者用于电力变换。,,,,1.1电力电子技术及特点,电力电子学和电力学的关系“电力学”就是“电工科学”或“电气工程”。电力电子技术广泛应用于电气工程中。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中最为活跃的一个分支。,1.1电力电子技术及特点,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技术中，它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善。电力电子技术可以看作弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。,控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带。,1.1电力电子技术及特点,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是以电力电子器件的发展史为纲的。,1876年硒整流器1904年电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开创了电子技术之先河。1911年水银整流器，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，其性能与晶闸管类似。在30年代到50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,1953年锗功率二极管1954年硅二极管，普通的半导体整流器开始使用。1957年晶闸管诞生，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。变流装置由旋转方式变为静止方式，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。,1.2电力电子技术的发展历史,在以后的20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列产品。同时研制出一系列晶闸管的派生器件，如快速晶闸管FST、逆导晶闸管RCT、双向晶闸管TRIAC、光控晶闸管LTT等器件。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段。,1.2电力电子技术的发展历史,晶闸管属于半控型器件。控制方式主要是相位控制方式。即使在电流、电压两个方面，晶闸管系列器件仍然有一定的发展余地，但因下述原因阻碍了它们的继续发展（1）关断晶闸管必须用强迫换相电路，结果使得电路复杂、效率较低、可靠性下降。（2）器件的开关速度难以提高，一般低于400Hz，大大限制了它的应用范围。（3）由于相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波，不但电路功率因数降低，而且对电网产生“公害”。,1.2电力电子技术的发展历史,20世纪70年代后期门极可关断晶闸管GTO电力双极型晶体管GTR电力场效应晶体管PowerMOSFET,优点全控型器件，可自关断，开关速度高，可以用于开关频率较高的电路。,,第二代自关断全控型器件,1.2电力电子技术的发展历史,80年代绝缘栅双极型晶体管IGBT为代表的第三代复合型场控半导体器件，另外还有静电感应式晶体管SIT，静电感应式晶闸管SITH，MOS晶闸管MCT等。这些器件有很高的开关频率，为几十到几百千赫兹，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。80年代后期电力半导体器件的发展趋势是模块化、集成化、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。,1.2电力电子技术的发展历史,当今第四代电力电子器件---集成功率半导体器件PIC。它将电力电子件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，开辟了电力电子器件智能化的方向，应用前景广阔。目前经常使用的智能化功率模块IPM，除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障检测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身不受损害。,1.2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1．全控化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。2．集成化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。,1.2电力电子技术的发展历史,3．高频化器件集成化，提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10KHz以下，IGBT工作在几十KHz以上，功率MOSFET可达数百KHz以上。4．高效率化高效率体现在器件和变换技术两个方面。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到进一步提高。,1.2电力电子技术的发展历史,5．变换器小型化器件的高频化、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、滤波电路和控制器的体积大大减小。6．电源变换绿色化电力电子技术中广泛采用PWM、SPWM、消除特定次谐波和多重化技术，使得变换器的谐波大为降低，同时也使变换器的功率因数得到提高，进而使得变换电源绿色化。,1.2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静止无功发生器SVG，有源电力滤波器等新型电力电子装置，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。8．电力电子器件的容量和性能的优化近年来，碳化硅SiC、金刚石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，功率可提高到106数量级，频率提高50倍，导通压降降低一个数量级，最高结温可达600℃。,1.2电力电子技术的发展历史,电力电子器件发展水平,电力电子器件发展水平,1.3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、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。1．一般工业电机调速,轧钢机,数控机床,1.3电力电子技术的应用,冶金工业,电解铝,1.3电力电子技术的应用,2．交通运输,1.3电力电子技术的应用,3．电力系统,静止无功发生器SVC,高压直流装置HVDC,柔性交流输电FACTS,1.3电力电子技术的应用,4．电源,大型计算机的UPS,高频逆变整流流焊机,1.3电力电子技术的应用,4．电源,程控交换机,电子装置,微型计算机,1.3电力电子技术的应用,5．照明,电子镇流器,1.3电力电子技术的应用,6．新能源开发和利用,风能太阳能,1.4电力电子技术的未来发展方向和前景,电力电子技术已进入各个领域，未来的广阔前景和发展方向，主要体现在下面几个方面1．新材料的进一步研究和应用，扩大器件的频率、功率等级、使用温度范围，减少器件的体积和降低价格。2．改进器件和装置封装形式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。3．使用无需吸收电路并且关断延时小的集成门极换流晶闸管IGCT，使得在大功率应用场合的器件选择越来越容易。4．多电平逆变器在大功率逆器中的应用。,1.4电力电子技术的未来发展方向和前景,5．体积小、重量轻、损耗小、无无功率的全半导体变流系统设计。6．采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器控制的传动系统。7．采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制。8．自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。9．改善动力系统供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛运用。10．高效轻便、“绿色”的电动车。11．发展更高效的家用电器产品。,1.5电力电子技术研究的内容,包括三个方面电力电子器件、变换器主电路和控制电路。了解如何合理地选择和使用电力电子器件来组成各种变换装置。内容侧重于器件的基本原理、特性和参数选择，以及由它们组成的变换主电路拓扑、控制方式及保护措施。,1.5电力电子技术研究的内容,电力电子器件用于大功率变换和控制，一是它必须具有承受高电压、大电流的能力，二是以开关方式运行。按照开通、关断的控制可分为三类1．不控型二端器件阳极和阴极。电流单向。开通和关断不能按需要控制，所以该类器件被称为不控型器件。常用的有大功率二极管、快恢复二极管等。,1.5.1电力电子器件,1.5电力电子技术研究的内容,2．半控型三端器件阳极、阴极、控制门极。通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，所以称它为半控型器件。开通条件不仅需要在阳、阴极间加正向电压，而且还必须在门极和阴极间加正向控制信号。关断条件只能通过减少阳极电流到某一个值或在阳、阴极间加反向电压使其关断。这类器件主要有晶闸管SCR及其派生器件。,1.5.1电力电子器件,1.5电力电子技术研究的内容,3．全控型三端器件阳极、阴极、控制门极。控制极可控制开通、关断，故称全控型器件。不需要外部提供关断条件，仅靠自身控制就可关断，所以也被称为自关断器件。属于这类的器件有电力晶体管GTR；门极可关断晶闸管GTO；电力场效应晶体管PowerMOSFET；绝缘栅双极型晶体管IGBT等,1.5.1电力电子器件,1.5电力电子技术研究的内容,按照电力电子器件的驱动性质分类电压型和电流型两种。电流型器件需要较大的驱动电流才能使器件导通。电压型器件只需足够的电压和很小的驱动电流就可以导通。器件选择器件的容量（即额定电压和额定电流值）、过载能力、关断控制方式、导通压降、开关速度、驱动性质和驱动功率等。,1.5.1电力电子器件,1.5电力电子技术研究的内容,1.5.2电力电子变换器的主电路以电力电子器件为核心，采用不同的电路结构拓扑和控制方式来实现对电能的变换和控制，这就是变流电路。变换器拓扑结构是将电力电子器件，按照一定的规律连接的电路。为防止电力电子器件因过流、过压而造成损坏，应该采用器件并联或串联，器件上并联续流二极管及缓冲吸收电路等措施。,1.5电力电子技术研究的内容,现代电力电子技术的主要研究方向拓扑优化在变换器设计中，合理选择确定网络中各元件的位置，以便实现功能和性能指标要求且最经济。变换过程电力电子变换器在工作时，开关器件轮流交替导通向负载提供电能，因此电能一定要从一组元件向另一组元件转移，这个过程叫做换相或换流。换流方式器件换流；电网换流；负载换流；强迫换流,1.5.2电力电子变换器的主电路,1.5电力电子技术研究的内容,1器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。这种换流方式可以应用于各种电力电子电路中。2电网换流由电网提供换流电压称为电网换流。这种换流方式只适合交流供电的场合，可应用于不控或半控开关器件组成的变流电路中，不适于没有交流电网的无源逆变电路。,1.5.2电力电子变换器的主电路,1.5电力电子技术研究的内容,3负载换流由负载提供换流电压或电流称为负载换流。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。当同步电动机工作于容性状态时，也可以实现负载换流。4强迫换流由外部电路向导通器件强行提供反向封锁电压称为强迫换流。这种换流方式需要附加换流电路，通常利用附加电容上所存储的能量来实现，因此也称为电容换流。,1.5.2电力电子变换器的主电路,1.5电力电子技术研究的内容,,1.5.3电力电子变换的基本类型,负载性质不同，供电要求也不同，应用电力电子技术组成变流装置也应不同。按其功能可分为AC/DC变换DC/AC变换AC/AC变换DC/DC变换。在某些装置中，可能同时存在多种变换形式。,1.5电力电子技术研究的内容,,控制电路作用是为变换器中的功率开关器件提供控制极驱动信号。驱动信号是根据控制指令，按照某种控制规律及控制方式而获得的。控制电路应该包括时序控制、保护电路、电气隔离和功率放大等电路。电力电子电路的控制方式，一般按照器件开关信号与控制信号间的关系分类，分类情况如下。,1.5.4电力电子电路的控制,1.5电力电子技术研究的内容,相控方式通过改变器件的导通相位角来改变输出电压的大小。晶闸管相控整流和交流调压电路就是采用这种控制方式。频控方式改变控制信号的频率，输出电压的频率也随之改变。这种控制方式多用于DC/AC变换电路中。斩控方式改变一个开关周期中器件导通的占空比，来改变输出电压的大小。器件工作的开关频率，远高于输入、输出电压频率，如PWM控制。,1.5.4电力电子电路的控制,1.5电力电子技术研究的内容,电力电子电路的控制理论运用取决于被控对象和控制效果的要求。为了使电力电子变换系统获得较高的稳态精度和动态性能，必须采用相应的控制规律或控制策略。对线性负载常采用PI和PID控制规律。对交流电机这样的非线性控制对象，最典型的是采用基于坐标变换解耦的矢量控制算法。复杂的非线性、时变、多变量、不确定、不确知等系统，在参量变化的情况下获得理想的控制效果，变结构控制、模糊控制、基于神经元网络和模糊数学的各种现代智能控制理论在电路电子技术中已获得广泛应用。,1.5.4电力电子电路的控制,1.5电力电子技术研究的内容,控制电路的组成形式早期的控制电路采用数字或模拟的分立元件构成。随着专用大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，复杂的电力电子变换控制系统，已采用DSP、现场可编程器件FPGA、专用控制等大规模集成芯片以及微处理器构成控制电路。大大地降低了系统的复杂程度，提高了系统的控制能力以及可靠性和设计的灵活性。,1.5.4电力电子电路的控制,本章完,
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