PPT《电力电子技术Power Electronic Technology》

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;

最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管. 晶闸管时代(1957年开始) 晶闸管 SCR(Silicon Controlled Rectifier)可通过门极控制开通,但通过门极不能控制关断,属于半控型器件.晶闸管因其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,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. 晶闸管时代(1957年开始)2 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 .目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的,而且工作可靠,所以许多大容量场合仍大量使用SCR. 全控型器件时代(70年代后期) GTO 可关断晶闸管以 BJT(GTR) 电力双极型晶体管 为代表: Power-MOSFET 电力场效应管这些器件可以通过门极(或栅极、基极)控制开通和关断.同时,这些器件可以达到的开关频率均较高.这些器件大大推进了电力电子技术的发展.和SCR电路的相位控制方式相对应,全控型器件电路常使用脉冲宽度调制(PWM Pulse Width Modulation)方式进行控制. 复合型器件(80年代后期) 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. 1.2 电力电子技术的发展史-复合型器件(80年代后期)2 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). 1.2 电力电子技术的发展史-复合型器件(80年代后期)3 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. 21世纪电力电子技术的前景 电力电子器件发展的目标是: 大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积(高芯片利用率)、模块化.新的控制技术的使用,以减小电力电子器件的开关损耗,如软开关技术:通过谐振电路使得器件在零电压(ZVS)或零电流(ZCS)的状态下进行开关.电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展. 1.3 电力电子技术的应用 电力电子技术的广泛应用 1.3 电力电子技术的应用-一般工业1 一般工业 直流电动机(DC Electromotor)有良好的调速性能,给其供电的可控整流电源(Controlled Rectifying Power Supply)或直流斩波电源(DC Chopping Power Supply)都是电力电子装置 直流电动机 可控整流电源 1.3 电力电子技术的应用-一般工业2 近年来电力电子变频技术(Frequency Inversion Technique)的迅速发展,使交流电机(AC Electromotor)的调速性能可与直流电机媲美,交流调速技术(AC Speed Control Technique)大量应用并占据主导地位.几百W到数千kW的变频调速装置,软起动装置等 交流电机 电镀装置 电化学工业大量使用直流电源(DC Power Supply),电解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合需要大容量整流电源.电镀装置也需要整流电源(Rectifying Power Supply) 1.3 电力电子技术的应用-交通运输1 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,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 磁悬浮列车 1.3 电力电子技术的应用-交通运输2 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 1.3 电力电子技术的应用-交通运输3 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 1.3 电力电子技术的应用-电力系统1 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. 1.3 电力电子技术的应用-电力系统2 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. 1.3 电力电子技术的应用6 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,改善供电质量在变电所中,给操作系统提供可靠的交直流操作电源,给蓄电池充电等都需要电力电子装置 1.3 电力电子技术的应用7 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........