電力電子技術(shù)及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位

1、2024/3/31,第1頁,自我介紹,蘇玉剛　博士/副教授　四川省電工技術(shù)學(xué)會(huì)理事四川省電控系統(tǒng)與裝置專委會(huì)常務(wù)委員兼秘書長(zhǎng)重慶市信息化技術(shù)中心工業(yè)自動(dòng)化專家組成員,2024/3/31,第2頁,自我介紹,1999年到美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化總部和密爾沃基工程學(xué)院參加GDP項(xiàng)目2008年到澳大利亞昆士蘭大學(xué)訪問學(xué)習(xí)一年主要研究方向:電力電子裝置及其控制技術(shù)無線電能傳輸技術(shù)計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)及系統(tǒng)集成,2024/3/31,第3頁,自我

2、介紹,聯(lián)系方式：Email：yugangsu@gmail.comTel. 02365112750重慶大學(xué)主教樓1907,2024/3/31,第4頁,授課內(nèi)容,電力電子技術(shù)及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建 設(shè)中的地位2. 電力電子器件及其應(yīng)用3. AC/DC變換技術(shù)4. 緩沖電路與軟開關(guān)技術(shù)5. 電力電子系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)6. 無線電能傳輸技術(shù),2024/3/31,第5頁,電力電子技術(shù) 及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位,202

3、4/3/31,第6頁,主要內(nèi)容：,1.1、電力電子技術(shù)的定義 1.2、電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容 1.3、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望1.4、電力電子與其它學(xué)科的關(guān)系1.5、電力電子技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介,2024/3/31,7,1.1、 電力電子技術(shù)的定義,電力電子學(xué)(Power Electronics)這一名稱是在60年代出現(xiàn)的。,電力電子技術(shù)發(fā)展史上的一篇重要講演,Power Electronics--Emerging from Li

4、mbo,2024/3/31,8,1.1、電力電子技術(shù)的定義,電力電子技術(shù)是一門利用電力電子器件、電路理論和控制技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行處理、控制和變換的學(xué)科，是現(xiàn)代電子學(xué)的一個(gè)重要分支，也是電工技術(shù)的分支之一。,,信息與能源,2024/3/31,9,1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,,,,變流技術(shù),電力電子器件,控制技術(shù),電力電子技術(shù),,應(yīng)用技術(shù),2024/3/31,10,（一）電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),,1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024

5、/3/31,11,電力電子變流技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路以及由這些電路構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)?！白兞鳌辈恢恢附恢绷髦g的變換，也包括直流變直流和交流變交流等變換。電力電子技術(shù)對(duì)電力的變換主要包括頻率、電壓、電流、相數(shù)和波形等。電力電子電路及裝置通常被叫做變換器(Converter)。,（二）變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的核心和主體,1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,12,（二）變流技術(shù)是電力電子

6、技術(shù)的核心和主體,1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,13,（a）AC/DC變換器：把交流電變換為固定的或可調(diào)的直流電，一般叫做整流器(Rectifier),1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,14,（b）DC/AC變換器：把直流電變換為頻率和電壓為固定的或可調(diào)的交流電，一般叫做逆變器(Inverter),1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,15,（c）DC/DC變換器：可改變電壓幅值的大小，實(shí)現(xiàn)直流對(duì)直流的變換

7、，一般叫做斬波器(Chopper),1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,16,（d）AC/AC變換器：實(shí)現(xiàn)從交流到交流的變換，把交流電變換為頻率和電壓為固定的或可調(diào)的交流電。其包括交流調(diào)壓器（AC Voltage Controller）和周波變換器(Cycloconverter),1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,17,（e）復(fù)合變換電路——由這些變換器組合起來的電力電子變換器，構(gòu)成復(fù)合變換電路。實(shí)際應(yīng)用的電力電子裝置

8、，如不停電電源（UPS）、開關(guān)電源和通用型變頻器等采用的都是復(fù)合變換電路。,,1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,18,（1）電力電子控制技術(shù)包括電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路、保護(hù)電路和整個(gè)控制系統(tǒng)以及相關(guān)控制理論和控制技術(shù)，如PWM控制技術(shù)，軟開關(guān)控制技術(shù)等。（2）電力電子控制技術(shù)是目前電力電子技術(shù)研究領(lǐng)域最活躍的內(nèi)容。同一電力電子電路，由于控制水平的提高，可以使電路達(dá)到更為完善的水平。,（三）電力電子控制技術(shù)是控制理論

9、、微電子 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)與電力電子相結(jié)合的產(chǎn)物,,1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,19,（1）電力電子裝置的熱設(shè)計(jì)　（2）電力電子裝置的EMC設(shè)計(jì)（3）電力電子裝置的可靠性設(shè)計(jì)（4）開關(guān)電源設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，　　　非接觸電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)等,（四）電力電子技術(shù)的應(yīng)用技術(shù),,1.2 、主要研究?jī)?nèi)容,2024/3/31,20,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,工業(yè),2024/3/31,21,電源是所有電控裝

10、置、自動(dòng)化系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的心臟。如何提高電源的質(zhì)量和可靠性，減小電源的體積，減輕電源的重量，一直是倍受人們重視的研究課題。目前控制系統(tǒng)使用的電源，如UPS電源、開關(guān)電源、變頻電源、交流穩(wěn)壓電源等，大多數(shù)都采用了電力電子技術(shù)?？梢哉f，電力電子技術(shù)主要研究的也就是電源技術(shù)。,（一）各類電源的應(yīng)用領(lǐng)域,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,22,鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)

11、車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。,（二）交通運(yùn)輸領(lǐng)域,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,23,電動(dòng)汽車的電機(jī)靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。飛機(jī)、船舶需要很多不同要求的電源，因此

12、航空和航海都離不開電力電子技術(shù)。如果把電梯也算做交通運(yùn)輸工具，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，而近年來交流變頻調(diào)速已成為主流。,（二）交通運(yùn)輸領(lǐng)域,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,24,① 自動(dòng)化裝置，最有代表性的是同步發(fā)電機(jī)的勵(lì) 磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。② 高壓直流輸電裝置。③ 靜止無功補(bǔ)償裝置。④ 新能源的開發(fā)和超導(dǎo)貯能裝置。⑤ 固態(tài)斷路器 — 切換用的電力電子斷路器。

13、 上述電力系統(tǒng)用的電力電子裝置，除高壓直流輸電外，目前統(tǒng)稱為柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS (Flexible AC Transmission System)技術(shù)。,（三）電力系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,25,工業(yè)中大量應(yīng)用各種電動(dòng)機(jī)，無論是調(diào)速還是軟起動(dòng)，都需要電力電子驅(qū)動(dòng)裝置。 電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源?，F(xiàn)代

14、電焊機(jī)離不開電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。,（四）工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,26,傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水力發(fā)電以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機(jī)后，各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快。太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，常需要儲(chǔ)能裝置緩沖，需

15、要改善電能質(zhì)量，這就需要電力電子技術(shù)。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，也離不開電力電子技術(shù)。,（五）新能源開發(fā)領(lǐng)域,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,27,家用電器的特點(diǎn)是電壓比較低，功率一般都只有幾十瓦到數(shù)百瓦，而又量大、面廣。這剛好是電力電子器件最適應(yīng)和最便宜的范圍，因而促進(jìn)了電力電子技術(shù)在這一應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。從調(diào)光臺(tái)燈到電子鎮(zhèn)流器的節(jié)能燈，從變頻空調(diào)到變頻冰箱，無一不是用到電力電子技術(shù)。,（六）家用電器的應(yīng)用領(lǐng)域,1

16、.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,28,電力電子技術(shù)被譽(yù)為節(jié)能冠軍，具體體現(xiàn)如下：① 降低器件通態(tài)壓降和采用軟開關(guān)技術(shù)，提高電力電子裝置效率而節(jié)能。 ② 調(diào)速節(jié)能。根據(jù)1983年國(guó)家經(jīng)委組織的專家調(diào)查組的結(jié)論可知，節(jié)約電能約達(dá)30％左右。目前我國(guó)風(fēng)機(jī)約700萬臺(tái)，泵約3000萬臺(tái)，大多數(shù)設(shè)備負(fù)荷率均低于60%，如都采用調(diào)速電機(jī)，每年可節(jié)電約145億kWh，節(jié)煤約570萬噸。,（七）節(jié)約能源的應(yīng)用領(lǐng)域,1.

17、3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,29,③ 照明節(jié)能。目前發(fā)達(dá)國(guó)家照明耗電約占總發(fā)電量的20～30%，我國(guó)約占10～12%。若推廣使用采用了電力電子技術(shù)的節(jié)能燈，每年照明能耗可減少20%以上，節(jié)能效果非常可觀。,（七）節(jié)約能源的應(yīng)用領(lǐng)域,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,30,總之，從人類對(duì)宇宙和大自然的探索，到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。這

18、也激發(fā)了一代又一代的學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。電力電子技術(shù)作為多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，具有很強(qiáng)的生命力?？茖W(xué)家預(yù)言21世紀(jì)的主導(dǎo)工業(yè)第一是信息產(chǎn)業(yè)，第二是計(jì)算機(jī)與電力電子。,1.3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,31,科學(xué)家預(yù)言，電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，將和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱?！∫蚜腥搿笆晃濉眹?guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目　　“電力電子關(guān)鍵器件及重大裝備研制”,1.

19、3 、電力電子技術(shù)的應(yīng)用與展望,2024/3/31,32,1.4、電力電子與其它學(xué)科的關(guān)系,都分為電子器件和電子電路兩大分支，二者同根同源；兩類器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)相同；制造工藝也基本相同。特別是現(xiàn)代電力電子器件的制造大都使用集成電路制造工藝，采用微電子制造技術(shù);應(yīng)用目的不同——前者用于電力變換，后者用于信息處理。在微電子技術(shù)中，器件既可以處于放大狀態(tài)，也可以處于開關(guān)狀態(tài)；而在電力電子技術(shù)中為避免功率損耗過大，電力電子器件總是

20、工作在開關(guān)狀態(tài)。,（一）與微電子學(xué)的關(guān)系,2024/3/31,33,電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中 高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源。國(guó)內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個(gè)分支。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支。電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動(dòng)力。,1.4、電力電子與其它學(xué)科的關(guān)系,（二）與電力學(xué)(電氣工程)的關(guān)系,2

21、024/3/31,34,1.4、電力電子與其它學(xué)科的關(guān)系,（三）與控制理論的關(guān)系,控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。 電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電的接口,控制理論是這種接口的有力紐帶。電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。,2024/3/31,35,1.4、電力電子與其它學(xué)科的關(guān)系,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)又與電磁學(xué)、固態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)、電機(jī)工程、現(xiàn)代控制理論、仿真與計(jì)算、信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)科學(xué)等

22、許多學(xué)科密切相關(guān)。目前電力電子技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。,（四）和其它學(xué)科的關(guān)系,2024/3/31,36,1.5、電力電子技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介,電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。,2024/3/31,37,1.5、電力電子技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介,電力電子器件以半控型的晶閘管為主，變流電路以相控電路為主，控制電路以模擬電路為主。,(一) 傳統(tǒng)電力電子技術(shù),2024/3/31,38,1.5、電力電子技術(shù)的發(fā)