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一、什么是电力电子技术
1.电力电子与信息电子
2. 两大分支
(1)电力电子器件制造技术
它是电力电子技术的基础,其理论基础是半导体物理。
(2)变流技术(电力电子器件应用技术)
进行电力变换的技术称为变流技术
a.用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术,以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术;
b.电力电子技术的核心,理论基础是电路理论;
c.电力——交流和直流两种
从公用电网直接得到的是交流,从蓄电池和干电池得到的是直流
d.电力变换四大类
交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流
3.与相关学科的关系
电力电子学(Power Electronics)名称60年代出现。1974年,美国的 W. Newell 用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述,被全世界普遍接受。
与电子学(信息电子学)的关系
都分为器件和应用量大分支
器件的材料、工艺基本相同,采用微电子技术
应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同
信息电子电路的器件看工作在开关状态,也可工作在放大状态;电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。
二者同根同源
与电力学(电气工程)的关系
电力电子技术广泛用于电气工程中
高压直流输电 静止无功补偿
电力机车牵引 交直流电力传动
电解、电镀、电加热、高性能交直流电源
国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支
电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支
与控制理论(自动化技术)的关系
控制理论广泛用于电力电子系统中
电力电子技术是弱电控制强电的技术,是弱电和强电的借口;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。
二、电力电子技术的发展史
三、电力电子技术的应用
一般工业:
交直流电机、电化学工业、冶金工业
交通运输:
电气化铁道、电动汽车、航空、航海
电力系统:
高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿
电子装置电源:
为信息电子装置提供动力
家用电器:
“节能灯”、变频空调
其他:
UPS、航天飞行器、新能源、发电装置
四、电力电子器件
电力电子器件(power electronic device)——可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。
广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。两类中,自20世纪50年代以来,真空管仅在频率很高(如微波)的大功率高频电源中还在使用,而电力半导体器件已取代了汞弧整流器(Mercury Arc Rectifier)、闸流管(Thyratron)等电真空器件,成为绝对主力。因此,电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。
电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。
同处理信息的电子器件相比,电力电子器件的一般特征:
(1)能处理电功率的大小,即承受电压和电流的能力,是最重要的参数
其处理电功率的能力小至毫瓦级,大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。
(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态
a.导通时(通态)阻抗很小,接近于短路,管压降接近于零,而电流由外电路决定
b.阻断时(断态)阻抗很大,接近于断路,电流几乎为零,而管子两端电压由外电路决定
c.电力电子器件的动态特性(也就是开关特性)和参数,也是电力电子器件特性很重要的方面,有些时候甚至上升为第一位的重要问题。
d.作电路分析时,为简单起见往往用理想开关来代替
(3) 实用中,电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
在主电路和控制电路之间,需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大,这就是电力电子器件的驱动电路。
(4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温 度过高而损坏,不仅在器件封装上讲究散热设计,在其工作时一般都要安装散热器。
a.导通时器件上有一定的通态压降,形成通态损耗
b.阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,形成断态损耗
c.在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗,总称开关损耗
d.对某些器件来讲,驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一
e.通常电力电子器件的断态漏电流极小,因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因
f.器件开关频率较高时,开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素
五、应用电力电子器件的系统组成
主电路(main power circuit)——电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路
控制电路按系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断,来完成整个系统的功能有的电力电子系统中,还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路,从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。
主电路中的电压和电流一般都较大,而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流,因此在主电路和控制电路连接的路径上,如驱动电路与主电路的连接处,或者驱动电路与控制信号的连接处,以及主电路与检测电路的连接处,一般需要进行电气隔离,而通过其它手段如光、磁等来传递信号。
来源:NIT李老师翻转课堂
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