1,什么是电力电子技术
1.1定义:
电力电子技术(PowerElectronicTechnology)——应用于电力领域的电子技术,使用电力电子器件(PowerElectronicDevice)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(PowerConversion).
2电力电子技术的两个分支:
电力电子变流技术(PowerElectronicConversionTechnique)用电力电子器件(PowerElectronicDevice)构成电力变换电路(PowerConversionCircuit)和对其进行控制的技术,及构成电力电子装置(PowerElectronicEquipment)和电力电子系统(PowerElectronicSystem)的技术.电力电子技术的核心,理论基础是电路理论(TheoryofElectriccircuit).
电力电子器件制造技术(ManufactureTechniqueofPowerElectronicDevice)电力电子器件制造技术的基础,理论基础是半导体物理(SemiconductorPhysics)
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(ElectronicDevice)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(IntegrateCircuit-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(PowerElectronicCircuit)和电子电路(ElectronicCircuit)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(ElectricalEngineering)中.
电力电子装置广泛用于高压直流输电(High-VoltageDCTransmission),静止无功补偿(StaticVARCompensate),电力机车牵引(ElectricalPowerMotorcycleDriving),交直流电力传动(AC/DCPowerDriving),电解(Electrolyze),励磁(Excitation),电加热(ElectricPowerHeating),高性能交直流电源(High-PerformanceAC/DCPowerSupply)等电力系统(ElectricPowerSystem)和电气工程(ElectricalEngineering).
通常把电力电子技术归属于电气工程学科
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(Vacuumtube),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(MercuryRectifier),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(SiliconRectifyingTube/RectifierDiode)
1962年我国研究成功晶闸管(Thyristor)
70年代出现电力晶体管(GiantTransistor-GTR),电力场效应管(MetallicOxideSemiconductorFieldEffectTransistor-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-GateBipolarTransistor-IGBT)为代表,IGBT是电力场效应管(MOSFET)和双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor-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(MOSControlledTransistor-MCT)和集成门极换流晶闸管(IntelligentGate-CommutatedThyristor-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(PowerModule):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(PowerIntegratedCircuit-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(IntelligentPowerModule-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(IntelligentIGBT).
高压集成电路(HighVoltageIntegratedCircuit-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(SmartPowerIntegratedCircuit-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(DCElectromotor)的驱动:可控整流电源(ControlledRectifyingPowerSupply),直流斩波电源(DCChoppingPowerSupply)
交流电动机(ACElectromotor)的驱动:交流调速技术(ACSpeedControlTechnique),变频技术(FrequencyInversionTechnique)
电化学工业大量使用直流电源(DCPowerSupply):电解(electroanalysis),电镀(electroplate)装置也需要整流电源(RectifyingPowerSupply)
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(FrequencyInverter).直流斩波器(DCChopper)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(PowerConversion)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(FrequencyInverter)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(ACSpeedControlbyFrequencyVariation)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(DCTransmission)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(FlexibleACTransmission-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(VARCompensateandHarmonicControl)对电力系统有重要的意义.
晶闸管控制电抗器(ThysistorControlledReactor-TCR),
晶闸管投切电容器(ThysistorControlledCapacitor-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(StaticVARGenerator-SVG),有源电力滤波器(ActivePowerFilter-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(VARandHarmonicCompensate)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(DCPowerSupply)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(ThysistorRectifyingPowerSupply),现在已改为采用全控型器件的高频开关电源(HighFrequencySwitchingModePowerSupply).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(FrequencyConversionAir-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[1][2]下一页