电力电子技术绪论0.ppt

石油大学信控学院,电 力 电 子 技 术,2001 年 10 月,电气工程系,绪 论 1. 什么是电力电子技术 电子技术包括两大分支：信息电子技术和电力电子技术。 信息电子技术：通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。信息电子技术主要用于信息处理。 电力电子技术：即应用于电力领域的电子技术。主要用于电力变换。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。,目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。,电力电子技术的应用： 通常所用的电力有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是50Hz工频交流电，从蓄电池和干电池得到的电力是直流电。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，尤其是随着时代的发展和技术的进步，各种各样的应用场合对供电电源的性能要求越来越高，所要求的种类花样也越来越多，,比如，交流电力电源的频率和电压要求在宽范围内连续可调（用于交流电动机变频调速、变频空调、变频电梯等）；台灯调光及舞台灯光控制；直流电机调速传动；不间断电源（UPS）；脉冲电源要求输出的电压或电流为幅度、频率及脉宽连续可调或间歇式脉冲序列，广泛用于弧焊电源、数控机床伺服电机驱动、各种电化学电源（电解、电镀、防腐、污水处理等）以及雷达、超声、激光控制等等；还有的要求恒流输出（充电机）或恒压输出（开关电源、通讯电源等）；,航空航天、军事设施、船舶、电力机车、地铁、磁悬浮列车、石油石化、冶金、机器人、科学实验等等，从工业生产到社会生活，各行各业的电气自动化、机电一体化水平的不断提高，都需要各式各样的特种电源装置，需要运用电力电子技术进行多种电力变换与控制。 电力电子技术的研究内容： 通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，,它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路拓扑和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。 电力变换通常可分为四大类：1）交流变直流（AC/DC，整流）；2）直流变交流（DC/AC，逆变）；3）直流变直流（DC/DC，直流斩波），指一种直流电压（或电流）的变为另一种直流电压（或电流）；4）交流变交流（AC/AC，交流电力控制），可以是电压或电力的变换，称做交流电力控制，也可变换频率或相数。,进行上述电力变换的技术称为变流技术。“变流”不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流的变换。 如果没有晶闸管、电力晶体管等电力电子器件，也就没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的核心。电力电子器件制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。,电力电子技术的学科地位及特点： 电力电子学(Power Electronics，简称PE )，又称功率电子学，这一名称是在60年代出现的。1974年，美国的一位科学家提出了一种观点，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。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术两个不同的角度来称呼的，其实际内容并没有很大的不同。 PE和电子学 二者都分为器件制造和电子电路两大分支，同根同源。,两类器件制造技术的理论基础是一样的，其大多数工艺也是相同的。特别是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术。电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是二者应用目的不同，前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，这是电力电子技术的一个重要特征。,PE和电力学 PE是弱电控制强电的技术，可以说是强弱电之间的接口。它所控制的对象往往都和电力有关，比如交、直流电机、伺服控制电机等电力传动或机电系统，电力系统的无功补偿、励磁、电加热等。电力电子技术是电气工程学科中的一个最为活跃的分支。本来电气工程（电力学）领域（包括电力传动和电力系统）以及机械类学科领域发展的历史很长，传统的东西很多，也很成熟，然而单靠这些传统技术已经无法适应时代发展的要求，,PE技术的不断迅速进步给电气工程、机械类学科的现代化以巨大的推动力，是保持电气工程、机电工程活力的重要源泉。 PE与控制理论 要使各种各样的设备和装置的性能满足人们日益增长的各种需要，离不开完善的自动控制技术。各种先进的控制方法、计算机控制技术（弱电系统）正是通过PE这一接口，与强电系统或机械系统（控制对象）融为一体，实现高性能的控制效果。只靠强电系统或机械系统本身实现复杂的自动控制是很困难的，而且体大笨拙。,因此近年来强弱电结合、机电结合的技术一直在迅猛发展。随着计算机技术和自动控制理论的不断进步，大量的新型高性能控制方法在PE系统中获得了广泛应用，比如自适应控制、模糊控制等。 PE技术是20世纪后半叶诞生和发展起来的一门崭新技术。可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，这是毫无疑义的。有人预言，电力电子技术将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。,通常把计算机的作用比做人的大脑，电力电子技术连同运动控制一起，可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动。只有聪明的大脑，没有灵巧的四肢甚至不能运动的人是难以从事工作的。肌肉和四肢正是大脑思维与外界运动事物之间的输出接口。人的感官是检测反馈系统。可见，电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。,2.电力电子技术的发展概况 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。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一只晶闸管为标志的。但在晶闸管问世以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了，主要应用的是几种电真空器件，先后出现了电子管、水银整流器（把水银封于真空管内，利用对水银蒸气的点弧可对大电流进行开关控制，故又称作汞弧整流器）、闸流管。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。,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。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器，并且其应用范围也迅速扩大。工业技术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技术的发展而确立的。同时也确立了电力电子学的学科地位，晶闸管为电力电子学科的建立立下了汗马功劳。,晶闸管属于半控型器件，通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到局限。 70年代后期出现了全控型器件，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR，又称双极型晶体管BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。,此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优越的特性使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。 和晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation , PWM）方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在四大类变流系统中均得到广泛应用。PWM控制技术使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。,在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGC