电力电子技术高锋阳电子课件第1章节绪论.pptVIP

尚辅网 / 第1章 绪论 * 第1章 绪论 1.1 什么是电力电子技术 1.2 电力电子的发展趋势 1.3 电力电子技术的应用 1.4 电力电子技术的发展趋势 1.5 电力电子技术系统组成 * 1.1 什么是电力电子技术 * ■电力电子技术的形成 ◆电力电子技术是一种应用半导体器件进行电能变换及高效率利用的技术，是通过半导体器件把“粗电”加工成“精电”的技术。因此，电力电子技术的基础是功率半导体器件，也称电力电子器件。 ?1974年美国学者W. Newell提出了电力电子技术的定义，并用倒三角形对电力电子技术做了描述。倒三角形寓意电力电子技术是由电气工程与技术、控制理论、电子科学与技术三大学科交叉而形成的，定义如图1-1所示，与其它学科的关系如表1-1所示。 图1-1　描述电力电子学的倒三角形 与电子学的关系 与电力学的关系 与控制理论/自动化技术的关系 (1) 均分为器件和应用2分支； (2) 电力电子器件工作在开关状态；电子学器件工作在开关、放大状态 (1) 电力电子广泛应用于电力系统； (2) 电力电子是电气工程学科中最为活跃的一个分支。 (1) 控制理论广泛用于电力电子系统中； (2) 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有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。 表1-1　电力电子技术与相关学科的关系 1.1 什么是电力电子技术 * ■电能变换的类型 ◆不同负载对电源有着不同的要求，而从电网获得的交流电和从蓄电池获得的直流电往往不能满足要求，这就需要电能的变换。电能变换的类型可分为：交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变。直流变直流是指将一种直流电压变为另一种直流电压，可用直流斩波电路实现。交流变交流可以是电压的变换，也可以是频率或相数的变换。电力电子技术已经成为现代工业社会中的支撑技术之一。 1.2 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作用，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。自20世纪50年代末开始，在应用需求的推动下，电力电子技术沿着 “整流器→逆变器→变频器”的轨迹成功地发展起来。 1.2 电力电子技术的发展史 * ◆整流器时代 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中，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），其性能与后来的晶闸管很相似。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。它广泛用于电解(铜、铝、镍等有色金属和氯碱等化工原料都离不开大功率直流电解)、牵引(电力机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸、铝材轧制等)三大领域，甚至用于直流输电。但是，水银整流器所用的水银对人体有害，另外，水银整流器的电压降落很高。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。1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。当时，其能够高效率地把工频交流电转换为直流电，由于其优越的电气性能和控制性能很快就把水银整流器和庞大的电动机-直流发电机组即旋转变流机组逐出了历史舞台，20世纪60年代至70年代，应用大功率硅整流管和晶闸管的整流装置得到了广泛应用。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。 1.2 电力电子技术的发展史 * ◆逆变器时代 由于晶闸管只能控制导通，不能控制其关断，其应用受到限制。20世纪70年代后期出现了集成度和工作频率较高、功能强的全控型电力电子器件。如大功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(功率MOSFET)及静电感应晶体管(SITH)，这些俗称第二代电力电子器件。当时世界范围内的“能源危机”，由于交流电机变频调速具有显著节能效果，能胜任这种情况的大功率逆变电源的全控功率器件得到了大力发展和应用。其中，关键的技术在于“交-直-交”变换中的“直-交”变换，即把直流电逆变为0-100Hz左右的交流电。类似的应用还有高压直流输电(HVDC)，静止式无功功率动态补偿等。于是，电力电子技术既可完成整流，又可实现逆变。但是，它们的工作领域还是限于较低的频率。 1.2 电力电子技术的发展史 * ◆变频器时代 20世纪80年代，大规模、超大规模集成电路(VLSI)得到突飞猛进的发展，这对功率半导体器件提供了很好的借鉴，即把其