电气工程学科-电力电子电力系统讲义课件

1、第3章 EE学科的主要研究方向之二 电力电子与电力传动电力电子技术1 什么是电力电子技术2 电力电子技术的发展史3 电力电子技术的应用 电力电子与信息电子 两大分支 与其他学科的关系 地位和未来1 什么是电力电子技术信息电子技术 信息处理电力电子技术 电力变换模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术 使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。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mW级。电力电子与信息电子 变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电

2、子装置 和电力电子系统的技术。 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力电子技术的两大分支 电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。 电力 分交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流电，从蓄电池和干电池得到的是直流电。 电力变换的四大类ACDC、DCAC、DCDC、ACAC 进行电力变换的技术称为 变流技术。 变流技术电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现。1974年，美国的W. Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散 电路、器件静止器、旋转电机图1 描述电力电子学

3、的倒三角形与相关学科的关系都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。器件的工作状态：不同二者同根同源。 与电子学（信息电子学）的关系电力电子技术广泛用于电气工程中：高压直流输电风力发电技术电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源 国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。 电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。 与电力学（电气工程）的关系控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的依据。电力电子装置是自动化技术的基础元件和

4、重要支撑技术。 与控制理论（自动化技术）的关系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。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生电力电子技术的发展史电力电子技术的特点 是弱电控制强电的学科交叉技术。 是变换/传送能量的技术。弱电传送信息，强电传送能量。 是多学科知识交叉的综合技术。电力电子技术的作用电力能源约占总能源的40%；电能中有40%需要经过电力电子设备的变换才能使用；电能的三大类主要应用领域：

5、 62%的电能用于电机和电机控制方面， 10%12%的电能用于照明方面， 8%10%用于化工和金属冶炼方面。电力电子技术的作用截止到2004年底，我国发电总装机容量已达到421500MW，其中煤炭火力发电占74%左右利用电力电子技术对电能变换后再使用，可以节省1/3的电能。这1/3的能源相当于840个火电厂发出的电能。少建火电厂，可以减少燃煤产生的二氧化碳和硫化物。一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、 航天飞行器、新能源、

6、发电装置电力电子技术的应用轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业应用2）交通运输3）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS4）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机5）家用电器6）其他大型计算机的UPS航天技术新型能源可见，电力电子技术的应用范围十分广泛；电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。 电力电子技术实验室电力电子技术的主要应用领域：示例电力电子器件：示例第3章 EE学科的主要研究方向之三

7、 电力系统及其自动化1 电力工业在国民经济中的地位 人均用电量是衡量现代生活水平的重要标志。 电力工业的发展水平是反映国家经济发达程度的重要标志。 世界人均消费电能（2000年）中国与 北美人均电力消费对比2 电力系统概述一次能源： 可直接利用的能源，直接提供热、光、动力等，主要包括植物能源（柴草等）、矿物能源（煤炭、石油、天然气等）、可再生能源（水能、风能、潮汐、地热、太阳能）及核能（核裂变、核聚变等）。电力工业简介 二次能源： 由一种或多种一次能源经过转换或加工后得到的能源。如电能、机械能、光能、等。电力工业： 是生产和销售电能的行业。 电力工业的主要生产环节 发电：利用各种能源资源，生产

8、电能。 输电：电力的输送。 变电：电压等级的变换。 配电：电能的分配供给。 用电：电能消费。电力系统的构成电力网络： 用于输电、变电、配电的线路、变电站组成的网络称为输配电网络，简称电网。电力系统： 输配电网再加上发电厂、电力用户就构成了电力系统流程 发电厂将一次能源转化为电能，经过输电线路进行远距离输送，在变电站内进行电压等级转换和线路的投切、保护，送至负荷所在区域的配电系统，再由配电变电站和配电线路把电能分配给用户。电力系统构成：示意图1电力系统构成：示意图2电力网的额定电压煤炭、石油、天然气 火力发电厂将一次能源转换为电能的工厂。发电厂水能水力发电厂核能核电厂新能源(风能、潮汐、地热、太

9、阳能)新能源电厂火力发电厂：利用固体、液体、气体燃料的化学能来生产电能的工厂1. 火力发电厂原动机：凝汽式汽轮机、燃气轮机、内燃机 我国大部分火电厂为 凝汽式火力发电厂 化学能热能机械能电能燃烧原动机发电机 火力发电 蒸汽轮机发电示意图锅炉中的水变为高温高压蒸汽，推动汽轮机，带动发电机发电。火电厂发电原理和特点 三大设备：锅炉、汽轮机、发电机锅炉产生的蒸汽推动汽轮机组做功，并使之带动发电机发电。已做过功的蒸汽排入凝汽器冷却成水，重新送回锅炉。在凝汽器中，大量热量被循环水带走，所以热效率低，只有30%-40%。水力发电厂水力发电厂：利用水库、河流所蕴藏的水力资源来生产电能的工厂水电厂的类型：堤坝

10、式引水式抽水蓄能电站 势能机械能电能水轮机发电机坝后式水力发电厂示意图上游水库大坝变压器发电机下游水力发电示意图利用河流的水位能发电其出力与流量和落差成正比，是典型的可再生能源。 核电厂核电厂是用核燃料（如铀235）在反应堆中的受控核裂变能转换为热能，将水变为蒸汽，推动汽轮机组带动发电机发电。 核能热能机械能电能沸水堆型核电厂示意图混凝土防护壳主循环泵控制棒反应堆汽轮机发电机凝结器凝结水泵其它能源发电 风力发电地热发电潮汐发电太阳能发电风力发电示意图电力网 = 输电网+配电网电力网络组成：电力线路+ 变压器+配电装置电力网络功能：输送和分配电能并进行电压变换。电力网分类：输电网 + 配电网输电

11、网：将发电厂的电能经变压器升高电压，通过高压输电线路，送到邻近负荷中心的枢纽变电所。输电网的额定电压通常为220-750KV或更高，它是电力系统的主干电网。配电网配电网：可分为高压、中压和低压配电网高压配电网：电压等级为35-110KV或更高，中压配电网：电压等级为1-35KV，它们将来自变电所的电能分配到众多的配电变压器，以及直接供应中等容量的用户；低压配电网：电压为380/220V，用于向数量很大的小用户供电。中国电网分布示意图30000MW30000MW10000MW40000MW20000MW10000MW40000MW10000MW电力网-变电站 电力网-变电站 第3章 电力电子技术 思考题1什么是电力电子技术？其两大分支是什么？2、电力电子技术是从哪三大学科领域发展起来的交叉学科？电力电子技术与信息电子技术