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什么是电力电子技术

第一讲   概   述

1、什么是电力电子技术

1.1 定义:

电力电子技术(Power Electronic Technology)——应用于电力领域的电子技术,使用电力电子器件(Power  Electronic Device)对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换(Power Conversion)。

1. 2电力电子技术的两个分支:

电力电子变流技术(Power Electronic Conversion Technique) 用电力电子器件(Power  Electronic Device)构成电力变换电路(Power Conversion Circuit)和对其进行控制的技术,及构成电力电子装置(Power Electronic Equipment)和电力电子系统(Power Electronic System)的技术。电力电子技术的核心,理论基础是电路理论(Theory of Electric circuit)。

电力电子器件制造技术(Manufacture Technique of Power Electronic Device)电力电子器件制造技术的基础,理论基础是半导体物理(Semiconductor Physics)

1.3 电力变换变换器分为四大类:

交流→直流——整流

直流→交流——逆变

直流→直流——斩波

交流→交流——交流调压、变频

1.4 电力电子技术和电子技术的关系

电力电子器件制造技术和电子器件(Electronic Device)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(Integrate Circuit-IC)制造工艺,采用微电子(Micro-electronics)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。

电力电子电路(Power Electronic Circuit)和电子电路(Electronic Circuit)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。

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。

1.5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(Electrical Engineering)中。

1) 电力电子装置广泛用于高压直流输电(High-Voltage DC Transmission)、静止无功补偿(Static VAR Compensate)、电力机车牵引(Electrical Power Motorcycle Driving)、交直流电力传动(AC/DC Power Driving)、电解(Electrolyze)、励磁(Excitation)、电加热(Electric Power Heating)、高性能交直流电源(High-Performance AC/DC Power Supply)等电力系统(Electric Power System)和电气工程(Electrical Engineering)。

2) 通常把电力电子技术归属于电气工程学科

3) 电力电子技术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

1.6 电力电子技术与控制理论的关系

1)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;

2)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;

3)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。


2、电力电子技术的发展史 

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。

1904年出现了电子管(Vacuum tube),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

20年代末出现了水银整流器(Mercury Rectifier),其性能和晶闸管(Thyristor)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、轧钢用直流电动机的传动,甚至用于直流输电1947年美国贝尔实验室发明晶体管(Transistor),引发了电子技术的一场革命

1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管(Thyristor)

1960年我国研究成功硅整流管(Silicon Rectifying Tube/Rectifier Diode)

1962年我国研究成功晶闸管(Thyristor)70年代出现电力晶体管(Giant Transistor-GTR)、电力场效应管(Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-MOSFET)

80年代后期开始:复合型器件。以绝缘栅极双极型晶体管(Insulated -Gate Bipolar Transistor-IGBT)为代表,IGBT是电力场效应管(MOSFET)和双极结型晶体管( Bipolar Junction Transistor-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(MOS Controlled Transistor-MCT)和集成门极换流晶闸管(Intelligent Gate-Commutated Thyristor-IGCT)等都是MOSFET和GTO的复合,它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。

90年代主要有:

功率模块(Power Module):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。

功率集成电路(Power Integrated Circuit-PIC):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 。

智能功率模块(Intelligent Power Module-IPM)则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成,也称智能IGBT(Intelligent IGBT)。

高压集成电路(High Voltage Integrated Circuit-HVIC):一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。

智能功率集成电路(Smart Power Integrated Circuit-SPIC):一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。


3、电力电子技术的应用

3.1  一般工业 

直流电动机(DC Electromotor)的驱动:可控整流电源(Controlled Rectifying Power Supply)、直流斩波电源(DC Chopping Power Supply)

交流电动机(AC Electromotor)的驱动:交流调速技术(AC Speed Control Technique)、变频技术(Frequency Inversion Technique)电化学工业大量使用直流电源(DC Power Supply):电解(electroanalysis)、电镀(electroplate)装置也需要整流电源(Rectifying Power Supply)

3.2  交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术;

电气机车中的直流机车中采用整流装置(Rectifier),交流机车采用变频装置(Frequency Inverter)。直流斩波器(DC Chopper)也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中,电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外,车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术;

电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换(Power Conversion)和驱动控制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置,一台高级汽车中需要许多控制电机,它们也要靠变频器(Frequency Inverter)和斩波器(Chopper)驱动并控制飞机、船舶需要很多不同要求的电源,因此航空和航海都离不开电力电子技术;如果把电梯也算做交通运输,那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统,而近年来交流变频调速(AC Speed Control by Frequency Variation)已成为主流。

3.3 电力系统

电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计,发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中,电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说,离开电力电子技术,电力系统的现代化是不可想象的。

直流输电(DC Transmission)在长距离、大容量输电时有很大的优势,其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。

近年发展起来的柔性交流输电(Flexible AC Transmission-FACTS)也是依靠电力电子装置才得以实现的。无功补偿和谐波抑制(VAR Compensate and Harmonic Control)对电力系统有重要的意义。

晶闸管控制电抗器(Thysistor Controlled Reactor-TCR)、

晶闸管投切电容器( Thysistor Controlled Capacitor-TSC)都是重要的无功补偿装置。

近年来出现的静止无功发生器(Static VAR Generator-SVG)、有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿(VAR and Harmonic Compensate)的性能。

在配电网系统,电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等,以进行电能质量控制,改善供电质量。

3.4 电子装置用电源 

各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源(DC Power Supply)供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源(Thysistor Rectifying Power Supply),现在已改为采用全控型器件的高频开关电源(High Frequency Switching Mode Power Supply)。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中,以前大量采用线性稳压电源供电,由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高,现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源,所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。

3.5 家用电器

照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源,通常被称为“节能灯”,正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器(Frequency Conversion Air-Condition)是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外,有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。

3.6 其他不间断电源(Uninterrupted Power System-UPS)

在现代社会中的作用越来越重要,用量也越来越大。目前,UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。

航天飞行器(Space Flight Aerocraft) 中的各种电子仪器需要电源,载人航天器中为了人的生存和工作,也离不开各种电源,这些都必需采用电力电子技术新能源(New Energy):传统的发电方式是火力发电(Thermal power)、水力发电(Waterpower)以及后来兴起的核能发电。能源危机后,各种新能源(New Energy)、可再生能源(Reproducible Energy)及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电(Solar Power)、风力发电(Wind Power)的发展较快,燃料电池(Fuel Cell)更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约,发出的电力质量较差,常需要储能装置缓冲,需要改善电能质量,这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时,也离不开电力电子技术

合理地利用水力发电(Waterpower)资源,近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式,它需要强大的直流电源供电,这也离不开电力电子技术。

核聚变反应堆(Nucleus Fusion Pile)在产生强大磁场(Magnetic Field)和注入能量时,需要大容量的脉冲电源(Pulse Power Supply),这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合,常常需要一些特种电源(Special Power Supply),这也是电力电子技术的用武之地。


 4、电力电子技术的主要内容

4.1 电力电子器件(第1章)

简要概述电力电子器件(Power Electronic Device)的概念、特点和分类等问题

介绍各种常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数、驱动(Driving)、缓冲(Snubber)、保护(Protection)、串并联(Series-Parallel Connection)等器件应用时的共性问题和基础性问题以及选择和使用中应注意的一些问题

4.2 各种电力电子电路(第2~5章、第8章)

4.2.1可控硅整流及其有源逆变电路

单相半波可控整流电路(Single-Phase Half-Wave Controlled Rectifier)

单相桥式全控整流电路( Single-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier)

单相桥式半控整流电路(Single-Phase Full-Bridge Semi-Controlled Rectifier)

三相半波可控整流电路(Three-Phase Half-Wave Controlled Rectifier)

三相桥式可控整流电路(Three-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier电容滤波的不可控整流电路(No Controlled Rectifier with Capacitor Filter)大功率可控整流电路(High-Power Controlled Rectifier)

单相全波有源逆变电路(Single-Phase Full-Wave Active Inverter)

单相桥式有源逆变电路( Single-Phase Full-Bridge Active Inverter)

三相半波有源逆变电路(Three-Phase Half-Wave Active Inverter)

三相桥式有源逆变电路(Three-Phase Full-Bridge Active Inverter)4.2.2 直流斩波、交流电压控制、交-交变频

直流斩波电路(DC  Chopper)

交流调压电路(AC Voltage Controller)

其他交流电压控制电路

交-交变频电路(AC-AC Frequency Inverter)的基本原理

4.2.3无源逆变电路

无源逆变电路(Reactive Inverter)的基本原理

无源逆变电路的环流(Loop Current)方式

电压型逆变电路(Voltage Source Type Inverter-VSTI)

电流型逆变电路(Current Source Type Inverter-CSTI)

多重逆变电路(Multiplex Inverter)和多电平逆变电路(Multi-Level Inverter

4.2.4组合变流电路

间接交流变流电路(Indirect AC-AC Converter)

间接直流变流电路(Indirect DC-DC Converter

4.3 PWM控制与软开关技术(第6、7章)

4.3.1 PWM控制技术

PWM(Pulse-Width Modulation)的基本原理

PWM (Sinusoidal Pulse-Width Modulation)波形的生成方法

SPWM型无源逆变电路及其控制方法

PWM跟踪控制(PWM Tracking Control)技术

4.3.2 软开关技术

软开关(Soft Switching)的基本概念

软开关的基本分类

典型的软开关电路


  
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