电力系统课件

电力电子技术PowerElectronicsTechnologySpring

2006电气工程学院

陈洛忠Chenlzh@51687064----601(o)绪论一、电力电子技术概况二、电力电子技术的发展三、电力电子技术的应用四、课程教学内容一、电力电子技术概况电力电子技术对电能进行变换和控制的技术（包括对电压、电流、频率和相位的变换）由三部分内容组成：电力电子器件电力电子电路电力电子系统及控制也称为半导体变流技术（变流）电能来源：交流电：电网（220V、380V，定压定频）直流电：蓄电池（12V等，电压不稳）负载需求：交流：不同电压、不同频率、变压变频直流：不同电压、稳压、调压、隔离四种基本变换形式

AC～DC整流

DC～AC逆变

DC～DC斩波

AC～AC交交变频电力电子技术两个分支变流技术（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，及构成电力电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器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理“电力电子技术”和“电力电子学”电力电子学(PowerElectronics)名称于60年代出现1974年，美国的W.Newell用右图所示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”和“电力电子技术”分别从学术和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同电子学——电子器件对应电力电子器件电子电路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，说明二者同根同源电力电子技术和电子学的关系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电力电子技术和电子学的关系器件的工作状态信息电子：既可放大，也可开关电力电子：为避免功率损耗过大，总在开关状态——电力电子技术的一个重要特征电力电子技术与电气工程的关系

主要关系：电力电子技术广泛用于电气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、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程通常把电力电子技术归属于电气工程学科是电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力

电力电子技术与控制理论的关系控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，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术21世纪电力电子技术的前景

20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪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，而电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱在21世纪中将会起十分重要的作用，有光明的未来二、电力电子技术的发展

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，因此，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电力电子技术的诞生 1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志1904年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。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，甚至用于直流输电电力电子技术的发展各种整流电路、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交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机—直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今1947年美国贝尔实验室发明晶体管，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电力电子技术的发展电力电子技术的发展晶闸管因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，且其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、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）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晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件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80年代后期开始复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表

IGBT是MOSFET和BJT的复合它集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，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（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点电力电子技术的发展模块：

为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便电力电子技术的发展G4xIGBT4xDiodeIGBT模块功率集成电路：

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电力电子技术的发展2X集成变换器1X集成DSP集成EMI滤波器有源IPEM无源IPEM离散型变换器采用光纤传输的DSP控制器用于电机驱动的IPEMToshibaSemikronDanfossIRFujiIndustrytrendEupec/Infineon工业趋势电力电子技术的发展传统的电力电子技术阶段（1960～1980年）器件基础：以晶闸管为核心的晶闸管大家族主要应用：相控整流器、直流斩波器等基本特征：整流（交流到直流的顺变）现代的电力电子技术阶段（1980年～至今）器件基础：高频率、全控型、功率集成器件主要应用：脉宽调制（PWM）逆变电路、

高频斩波电路等基本特征：进入逆变时期应用领域工业、交通、能源、通讯、国防、家用电器直流传动、电力牵引、电解、电镀交流传动（电机调速、电动汽车、变频空调）开关电源（各种电压等级的直流电源）低速传动（冶金、矿井提升机等）三、电力电子技术的应用电力电子技术的应用

750KV兰州东变电站电力电子技术的应用

750KV兰州东变电站电力电子技术的应用上海磁悬浮线上运行的磁悬浮列车电力电子技术的应用性能指标：

最大速度：65km/h爬坡能力：>15%最大加速度：40sec（0-50km/h）行程：150km清华大学燃料电池城市客车风力发电机外形和内部结构示意图220kV变电站运行的12000kVar有源电力滤波器有源滤波器投入前、后电网侧电流波形现代电力电子技术与传统的电力电子技术相比较，有如下特点：

高频化（减小体积、重量）模块化（器件、控制单元、系统）全控型（IGBT为主）控制技术数字化（DSP）

绿色化（节能、减少污染）本学科的特点强电、弱电、控制相结合跨学科或边缘学科实践性强功率范围大，从几瓦到数百兆瓦以上发展迅速、与现代新技术紧密结合广阔的应用前景四、课程教学内容第一章绪论第二章电力电子器件的原理与特性第三章相控整流电路第四章有源逆变与相控变流器特性第五章直流斩波电路第六章无源逆变电路第七章PWM整流电路及其应用第九章交流调压电路和交交变频电路第十一章电力电子器件的应用基础主

要

任

务培养学生：了解电力电子技术的发展动向和应用领域了解与熟悉常用的电力电子器件的工作机理、电气特性和主要参数理解和掌握基本的电力电子电路的工作原理、电路结构、波形的原理、电气性能、分析方法和参数计算，并能进行初步的设计对电力电子电路具有一定的实验和调试能力本课程与其它课程的联系本课程的先修课程为：电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电机学想更加深入了解电力电子器件的半导体物理原理的学生可选修电力电子器件本课程为学习电传动控制基础、电力电子装置及控制、高频电力电子技术等课程奠定了基础涉及到的理论微电子技术模拟电路脉冲与数字电路计算机应用电路理论电力系统理论自动控制原理与系统电机学及电机拖动如何学习好本课程基本原理基本电路分析、波形分析元器件的使用对控制电路的要求应注意的问题功率谐波功率因数系统价格（成本）、性能及性能价格比能量变换的基本观点课程的教学基本要求课堂讲授—认真听讲作业—独立完成实验—认真准备、重在分析考试—重视考试方式与成绩评定平时听课、作业：10％文献阅读：10%实验：10％期末考试：70％1、要求阅读10篇相关论文，内容包括4大领域；2、撰写2篇读后感（1+4）+（1+4），每篇文字不少于1000字。1、约60道题；2、要求按时交作业。1、共4个实验；2、到实验室预约。期末统一考试，闭卷。文献阅读阅读十篇以上电力电子技术领域相关科技文献，提交两份文献阅读报告每份报告包含五篇文章，具体应包括以下内容：其中一篇文章的文章题目、期刊名称、年号、期号、页号，以及1000字以上的详细读后感另外四篇文章的文章题目、期刊名称、年号、期号、页号，以及每篇几句话的简要读后感提交日期：1.

第10周；2.第15周报告要求：1.全部手写，不得打印

2.严禁互相抄袭，若发现两篇相同读后感，二者均记0分限定期刊：《电力电子技术》《电源技术》《电气