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文档简介

电力电子技术基础

及其应用BasicofPowerElectronicsTechnology

2023/7/191第一讲绪论2023/7/192教学大纲一课程的地位、基本要求:本课程是自动化专业基础课。对学生的要求是:①掌握常用电力电子器件的工作原理,开关特性和电器特性。②掌握单相、三相整流电路和有源逆变电路的工作原理,以及各种负载对电路的影响,能设计电路。③掌握并设计不同用途的触发电路。④了解交流调压电路、斩波电路的工作原理及电路结构、换相方法,和参数计算。⑤掌握PWM型逆变电路的工作原理,控制方法。⑥了解电力电子学科的发展方向。⑦掌握基本变流装置的调试实验方法。2023/7/193课程内容

第一章:电力电子器件(7学时)功率二极管晶闸管及其工作原理可关断晶闸管(GTO)及其工作原理功率晶体管(GTR)功率场效应晶体管绝缘栅晶体管(IGBT)2023/7/194第二章单相可控整流电路单相可控半波整流电路

单相可控全波整流电路

2023/7/195第三章三相可控整流电路1.三相半波可控整流电路2.三相全桥可控整流电路3.三相半桥可控整流电路4.变压器漏感对整流电路的影响2023/7/196第四章有源逆变电路1.逆变的概念2、三相有源逆变电路3、逆变失败和最小逆变角限制4、有源逆变的应用2023/7/197第五章

交流调压电路及斩波电路单向交流调压电路三相交流调压电路斩波电路分析2023/7/198第六章无源逆变电路1.逆变的换相方式2.电压及电流型逆变电路3.

SPWM逆变器及电路2023/7/199第八章

电力电子器件的触发、串、并联及其保护电路

电力电子器件的触发(控制)电力电子器件的串并联电力电子器件的保护电路2023/7/1910实验要求:

①触发电路和交流调压实验②单相半桥可控整流实验③三相全桥可控整流实验④无源逆变实验⑤单相全桥可控整流实验(选做题)

三相有源逆变实验(选做题)

2023/7/1911电力电子技术

(PowerElectronicsTechnology)

什么是电力电子(变流)技术?

为什么要学电力电子技术?

怎样学习电力电子技术?2023/7/19121.电力电子技术?电力电子技术是一门新兴的很有前途的一门学科。它结合了电力技术、电子技术和控制技术等三个领域。Newell提出的“倒三角”定义,已为各国所接受,即把电力电子学定义为一门交叉于电气工程三大领域:电力、电子和控制之间的边缘科学,可用倒△来表示2023/7/1913国际电气和电子工程师协会(IEEE)的电力电子学会将电力电子技术表述为:有效地使用电力半导体器件,应用电路和设计理论以及分析开发工具,实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。2023/7/1914电力电子技术是以电力电子器件为基础。电力电子器件的功能是将以往传统的机械产业、电力与微电子技术融为一体。极大地推动革新了传统产业的技术革命。促进了机电一体化的发展。因此,早期我们也称电力电子技术为半导体变流技术。2023/7/1915电力电子技术是实现电源变换的技术,它包括了下面四种变换:1、电压变换、2、电流变换、3、频率变换、4、波形变换等等。

2023/7/19162.电力电子学的任务:

是通过电力半导体器件的控制作用,对电网的供电电源加以变换或控制,从而将不同形式的电源提供给各种不同的应用场合。

电力电子技术是在器件的基础上发展起来的:以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技术的基础和核心。电力半导体器件的每一步新发展,都带来电力电子技术的革命、带动变换、电路技术的相应突破。2023/7/1917电力电子技术是在器件的基础上发展起来的1958年美国贝尔电报电话公司研制出世界上第一个晶闸管(Thyristor),工作电流只有十几安培。但是由于它具有在电流、电压、频率三个方面的自由度的发展潜力,引起世界的重视,发展很快,为电子学进入功率系统开辟了一个新纪元。由此带来电力电子技术的革命。2023/7/1918电力电子技术是在器件的基础上发展起来的工作于工频(50~60HZ)的普通整流管、晶闸管,开关功率可达5000V/5000A。器件的发展方向是开发高速器件,尤其是自身兼有开通和关断能力的所谓全控型器件。70年代后各种高速、全控型器件的先后问世,使电力电子器件在电力电子领域应用越来越广泛。如GTO(可关断晶闸管)、GTR(大功率晶体管)、PowerFET(功率场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅功率晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)等等。2023/7/1919电力电子技术是在器件的基础上发展起来的70年代后各种高速、全控型器件的先后问世,使电力电子器件在电力电子领域应用越来越广泛。如GTO(可关断晶闸管)、GTR(大功率晶体管)、PowerFET(功率场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅功率晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)等等。我国的整流二极管和晶闸管的生产水平可由西安电力电子技术研究所生产的KP型晶闸管作为代表。其硅片直径77mm,电流达1600~2500A,电压4400~1800V;其次是北京整流器厂的生产水平为1100~2500A,电压4500~5000V。2023/7/1920电力电子技术是在器件的基础上发展起来的2023/7/1921电力电子技术是在器件的基础上发展起来的GTR的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海海燕半导体厂为代表,生产水平为50~800A,1200~1600V。GTO的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海整流器厂的生产线作为代表,600~2500A,电压4500~1800V。

2023/7/1922功率MOS场效应管国内已有1000多伏的产品。

IGBT和MCT等国内起步较晚,仍旧以日本等国产品独霸市场。电力电子器件花样繁多,各国都在扬长避短,构思新的复合器件。除了IGBT、MCT外,功率集成电路PIC就是生产需要的必然产物,它体积小、成本低、可靠性高、功能强。可以具有逻辑判断、控制、自动保护、自动检测、传感、自诊断等能力。

我国的现状——12023/7/1923功率MOS场效应管国内已有1000多伏的产品。

IGBT和MCT等国内起步较晚,仍旧以日本等国产品独霸市场。电力电子器件花样繁多,各国都在扬长避短,构思新的复合器件。除了IGBT、MCT外,功率集成电路PIC就是生产需要的必然产物,它体积小、成本低、可靠性高、功能强。可以具有逻辑判断、控制、自动保护、自动检测、传感、自诊断等能力。

我国的现状22023/7/19242023/7/19254.如何评价电力电子器件?

70年代是以电力电子器件的品质因素为主要标准。即:容量P=电流×电压80年代主要目标是高频化,评价品质因素为主要标准是:功率×频率。90年代器件发展的主要目标是高性能化:大容量、高频率、易驱动、低损耗。衡量的标准有:容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。2023/7/19265.电力电子器件的主要缺点?

过电压能力低;②

过电流能力低;③

某些工作状态功率因素低;④

对电网有影响。(这是由于器件处在开关工作状态,使交流侧电流含有高次谐波,引起电源波形畸变。从而影响电网上的其它负载。)2023/7/19276.变流技术?

利用电力半导体器件把电能进行变换的技术。包括电压变换、电流变换、频率变换、波形变换、相数变换。电力电子学研究变流技术,其实就是利用弱电来控制强电的一门技术。电力半导体器件本身具有的可控特性,可以通过仅也就是说,通过传感技术,把传统产业的原动机的各种控制量检测出来,利用电力技术进行各种数据处理,根据处理结果发出信号给电力电子器件。然后通过电力电子器件的电流变换来控制原动机。从某中意义上讲,当今机电产品技术上的突破主要在于电子化。2023/7/1928从节能角度上讲,电力电子器件工作是处在开关状态,正向压降低而反向漏电流小,从而从理论上保证了各类电力电子设备所共有的节能性能。我国严重缺电,但另一方面却用电严重浪费,每单位产值锝耗电量为日本的6倍;为美国的2-3倍,俄罗斯的1.7倍。电力电子技术应用正式解决这一矛盾的有力措施。国家科委90年就把电力电子技术列为我国的重点发展的高技术领域之一。

2023/7/19297电力电子技术的应用

我国的现状大家都有所了解,传统工业大多都是50-60年代建成的,改革开放以来,引进了一些生产线,改变了一些部门的生产状况,但不可能全靠引进,也不可能走几年-几十年内把所有的机械设备全部用进口设备代替,这是人力和财力不允许的。只能走引进--改造相结合的道路,这是我国之国情所决定的。

电力电子技术的应用,是机电一体化成为可能。将促进我国的工业来一个大的飞跃。处在新老世纪交替的一代,面临着担负之一重任。我们肩上的担子很沉重。现代开始学习的电力电子技术就是为了打好这一基础。2023/7/1930电力电子技术的应用(-)直流电机调速用晶闸管作直流开关构成的斩波器对直流电压进行调节,即实现了直流电动机的直流脉冲调速。调速、启动、制动平稳、操作灵活、维修方便。可以不仅调速,又能实现再生制动。比电阻调速节能30%-40%以上。广泛应用在地铁电机车、矿山机车、城市机车、蓄电池电平车上。2023/7/1931在我国铁路上运行的内燃机车,均采用发电机-直流电动机组。内燃机带动发电机发出三相交流电,经整流成直流以驱动直流电机,电动机直接带动车轮转动,把我们载向祖国的四面八方。————正在向交流驱动迈进这是一列CRH1、时速200公里的提速牵引试验列车从武汉黄鹤楼脚下飞驰而过。

2023/7/1932电力机车就采用:8G、8K、6K三种电力机车,单向50hz、25kv供电,均采用两段向控整流调(一段全控,一段半控,采用1700A/2200V的晶闸管和2500A/2200V整流管传动时半桥工作,直流调速;再生制动时,全控桥作为再生逆变装置(此时半控桥供激磁电流)。

法国8K电力机车,韶山6型电力机车这是一列CRH2、时速200公里的提速牵引试验列车飞驰在京广线经过的鸡公山上2023/7/1933在我国铁路五次大提速中担当主力军的电力机车,供电是采用单相25千伏的交流电,经整流成直流以驱动列车上的直流电机运行。下坡时利用逆变技术,实现平稳运行,并把发出的直流电通过逆变回送给电网。经过五次大提速从北京到上海只须10个小时。大部分客运实现朝发夕至和夕发朝至,极大地方便了出行,树立了中国铁路的新形象。现在正在准备实施的第六次大提速,将进一步缩减旅途时间,提高旅行的舒适度2023/7/1934(二)交流调速:采用逆变或变频装置进行交流调速。我们知道,交流电机的转速,且交流电机虽有定子、转子,但不需要电刷,减少了维护时间,工作效率提高。2023/7/1935采用逆变技术将交流电网电压变换成电压可调、频率可调的交流电,直接供给交流电动机,实现交流电机的无级调速。可用于控制风机、水泵、机床、轧机、机车牵引、电梯、传动等到场合。应用这种静止变频装置,频率连续可调,可实现交流电动机四象限运行,调速性能优异。2023/7/1936由于具有自关断能力的GTO和GTR的发展,简化了换相电路,提高了开关速度,降低了价格,为发展交流变频调速提供了很好的条件,这一技术正在开始广泛应用在各个领域。在内燃机车中,也可以采用交--直--交的方式来实现无级调速。随着器件的不断进步,电力机车也采用交--直--交流电机来驱动。2023/7/1937线绕式异步电动机的串级调速是应用晶闸管可逆整流电路,将转子电压逆变成交流电送回电网。这种方式比过去用电阻调速优越,节能、调速范围宽,特别适合于泵和风机类负载。无换相电动机是一种自控式变频调速电动机。这种电机兼有交、直流电机的优点,结构简单,具有良好的控制特性。2023/7/1938(三)晶闸管中频电源:

它将工频交流电经整流再逆变成中频交流电供给交流负载。1。400--800Hz供电源为电子仪器供电,如雷达设备等。2。1000Hz以上中频电源则用于熔炼、热处理。

西安航空发动机公司机械厂制造螺丝钉的过程(六角螺钉)。下图是513雷达和正在飞越的战斗机。2023/7/1939(四)不停电电源:UPS电源

主要用于不能断电的重要设备和部门。银行通信中心、计算机房、气象站、化工厂、医院和国防重要部门。想起来很简单:平时给蓄电池存电,当市电无时,把蓄电池的直流电逆变成交流电,自动投入供电。这里就用了逆变技术,仍为50Hz交流电。

2023/7/1940(五)电子开关:

晶闸管本身就是一个无触点开关元件。动作快,损耗小,寿命长,已在多种场合取代有触点的接触点。

2023/7/1941(六)高压直流输电:我们平常采用的多是交流输变电,但由于引线多,架线施工复杂,有时难度很大,远距离送电损耗大,电磁污染较大。人们一直寻找替代的方法,高压直流输电是一个好方向。其实际应用是先把交流发电机发出的交流电变成高压直流电,再进行远距离传送,到应用地再应用逆变技术把直流电变成交流电,供给用电设备1989年由葛洲坝到上海南桥的±500Kv、200MW直流输电线路的第一级投入运行,标志着我国电力电子技术的先驱部分已达到国际水平。三峡水电站,也采用了高压直流输电技术2023/7/1942(七)空间技术:

空间穿梭的飞机电源系统、卫星动力系统、飞机动力系统、受光时由太阳能电池提供动力,并给蓄电池充电;背光时由蓄电池供给卫星能量,保证机器的正常工作。如右图所示的两代火星车,上图是1997年准备登陆火星的机器人车-火星漫游者1997,在着陆时损坏;右图是2004年1月3月已经成功登上火星的第二代机器人车-火星漫游者2003,已经向地球传回了质量清晰的火星表面的照片,极大地鼓舞了科学家们。2004年1月24日(北京时间2004年1月25日星期日下午1点多),“机遇号”(OPPORTINUTY)登陆火星。2023/7/19432023/7/1944我国的探月计划的探月车在深圳展览中心亮相.2023/7/1945学习特点及方法电力电子技术是一门新学科,有其自有的特点,结合了电子器件,又综合了电路知识、控制方法,理解上有一定难度。怎样才能学好?只要能坚持听课,多看一些参考书,认真做好实验,就一定能学习好电力电子技术基础这门课。2023/7/19463)多看参考书,每种教材都有自己的特点,它们从不同的侧面来讲述同一个道理,也可能别的教材的某些章节侧重面你理解起来更容易一些,这样你就可以选择阅读它来加深你对电力电子概念的理解,又何乐而不为呢?但要学会看参考书,不是从头到尾地看参考书,教材为基础,参考是参考,主次要分明,才能收到事半功倍的效果。2023/7/1947参考书:1.现代电力电子技术何希才、江云霞编国防工业出版社2.电力半导体变流技术林木生、邵丙衡中国铁道出版社3.现代逆变技术及其应用李爱文、张承慧编科学出版社4.半导体器件刘刚、余岳辉等编电子工业出版社5.变流技术唐嘉亨编人民交通出版社6.电力电子变流技术黄俊编机械工业出版社7.电力半导体器件聂代祚编电子工业出版社8.电力电子学赵惠昌编兵器工业出版社9.电力电子变流技术赵可斌、陈国雄编机械工业出版社2023/7/194810.现代电力电子器件及其应用华伟周文定编北方交通大学出版社11.电力电子技术应用基础王汝文、张杭西安交通大学出版社12.电力电子技术

丁道宏13.电力电子技术王兆安黄俊编机械工业出版社14.电力电子学与交流传动

B.K.鲍斯西安交通大学出版社15.电力电子学与变频传动技术和应用

B.K.博斯中国矿业大学出版社16.现代功率电子技术苏开才毛宗源国防工业出版社17.新型半导体器件及其应用实例何希才毛德柱电子工业出版社18.电力电子变换技术林忠岳主编重庆大学出版社19.电力电子技术苏玉刚陈渝光重庆大学出版社20.软开关功率变换器及其应用王聪编科学出版社21.变频器应用技术及电动机调速黄立培张学人民邮电出版社22.变频器基础及应用原魁刘伟强冶金工业出版社2023/7/1949上次考试题一、(20)简答

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