第1章电力电子与现代生活概论.ppt
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1、1,电力电子与现代生活 Power Electronics Technology and Modern Life,山东大学电气工程学院电力电子研究所 颜世钢 ,2,本课程主要内容: 第一部分:概论 第二部分:电力电子器件及变换电路 第三部分:应用。节能领域、家用电器 、交通领域、新能源领域、电力系统、工业控制等。,电力电子与现代生活,电力电子与现代生活,第 1 章 电力电子与现代生活概论,4,第1章 电力电子与现代生活概论,1.1 电力基础知识 1.2 电子技术基础知识 1.3 电力电子技术概述 1.4 电力电子器件的功率损耗与冷却技术 1.5 电力电子技术的应用,5,1.1 电力基础知识,1
2、.1.1 电力技术与电力工业的发展简史 电力技术的发明与电力工业的建立已有100 余年的历史。 人类近代历史上的第一次科技革命: 蒸汽革命 17世纪,牛顿( Newton, 1642 1727)力学的建立, 成为第一次技术革命的先导;,6,电力工业的发展简史,18世纪下半叶(1769年),瓦特(J. Watt,1736 1819)发明蒸汽机为第一次科技革命的主要标志。 蒸汽机取代自然力成为机器制造、采矿、冶金、铁路、化学、纺织等行业的主要动力,蒸汽机的广泛应用使社会生产力发生了革命性的变革,从此人类开始从农业社会跨入工业社会。 蒸汽革命,7,第一次工业革命-简介,18世纪从英国发起的技术革命是
3、技术发展史上的一次巨大革命,它开创了以机器代替手工工具的时代。这场革命是以工作机的诞生开始的,以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志的。这一次技术革命和与之相关的社会关系的变革,被称为第一次工业革命。从技术方面来说,工业革命使用机器代替了手工劳动;从社会关系来说,依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了,工业资产阶级和工业无产阶级形成和壮大起来。 主要成就: 棉纺织:一系列纺织机器的发明:珍妮机出现,瓦特改良蒸汽机(1785年)。交通运输:富尔顿-轮船(美、1807年);史蒂芬逊-火车(英、1814年)。 特点:1、首先发生在英国,并以英国为主体;2、以轻工业为主导;3、以蒸汽动力为主要标志;4、技术
4、发明主要源于工人和技师的实践经验。,8,电力工业的发展简史,人类近代历史上的第二次科技革命 : 以18世纪末至19世纪初发现电磁学基本原理、电磁感应现象为先导的。 1831年,法拉第发现电磁感应原理,奠定了发电机的理论基础。科学的发现,引起了技术的发明。 1866 年,冯西门子发明了励磁发电机,并预见:电力技术很有发展前途,它将会开创一个新纪元。,9,电力工业的发展简史,1876年,贝尔发明了电话; 1879 年,爱迪生发明了电灯。 19世纪未以后,三相交流发电机、变压器、电动机、远距离输电以及有线电、无线电通信技术的陆续发明和应用,成为第二次科技革命的主要标志。 电气技术革命,10,第二次工
5、业革命-简介,1870年以后,科学技术的发展突飞猛进,各种新技术、新发明层出不穷,并被迅速应用于工业生产,大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。科学技术的突出发展主要表现在三个方面,即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明。 第二次科技革命 主要成就:1、电力的广泛应用(西门子发电机、格拉姆电动机);2、内燃机和新交通工具的创制(卡尔本茨内燃机驱动的汽车、莱特兄弟飞机);3、新通讯手段的发明(贝尔电话、马可尼无线电报) 特点 : 1、科学同技术开始密切结合;2、新技术发明几乎同时发生在几个国家;3、一些国家两次工业革命交叉进行 。,1870年以后,科学技术的发展突飞猛
6、进,各种新技术、新发明层出不穷,并被迅速应用于工业生产,大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。科学技术的突出发展主要表现在三个方面,即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明。 第二次科技革命 主要成就:1、电力的广泛应用(西门子发电机、格拉姆电动机);2、内燃机和新交通工具的创制(卡尔本茨内燃机驱动的汽车、莱特兄弟飞机);3、新通讯手段的发明(贝尔电话、马可尼无线电报) 特点 : 1、科学同技术开始密切结合;2、新技术发明几乎同时发生在几个国家;3、一些国家两次工业革命交叉进行 。,1870年以后,科学技术的发展突飞猛进,各种新技术、新发明层出不穷,并被迅速应用于工业
7、生产,大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。科学技术的突出发展主要表现在三个方面,即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明。 第二次科技革命 主要成就:1、电力的广泛应用(西门子发电机、格拉姆电动机);2、内燃机和新交通工具的创制(卡尔本茨内燃机驱动的汽车、莱特兄弟飞机);3、新通讯手段的发明(贝尔电话、马可尼无线电报) 特点 : 1、科学同技术开始密切结合;2、新技术发明几乎同时发生在几个国家;3、一些国家两次工业革命交叉进行 。,11,电力工业的发展简史,1882年,爱迪生建成世界上第一座正规的发电厂,装有6 台直流发电机,通过110V 电缆供电,输电距离1.6k
8、m,供6200 盏白炽灯照明用,完成了初步电力工业技术体系。 1881年,美国高拉德和吉布斯取得“供电交流系统”专利,发明家威斯汀豪斯买下此专利,并以它为基础于1885 年制成交流发电机和变压器,并于1886 年建成第一个单相交流送电系统。 1891 年,在德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机,建成第一条三相交流送电线路。 现代电力工业雏形,12,电力系统典型构成示意图1,发电厂,高压输电网,低压配电网,用户,13,电力系统典型构成示意图2,14,电力工业的发展简史,发电机容量发展历史: 1960年,美国制成50万kW 汽轮发电机。 1963年,美国制成100万kW 双轴汽轮发电机。 1
9、973年,美国将BBC公司制造的130万kW 双轴汽轮发电机投入运行。 1980年,前苏联在科斯特罗姆火电厂单轴120万kW机组投入运行,这是世界上唯一的一台单轴最大机组。,15,电力工业的发展简史,1300MW双轴汽轮发电机,16,电力工业的发展简史,高电压输电发展历史: 1954 年,瑞典首先建成第一条380kV 输电线。 1964年,美国建成第一条500kV 输电线路,同年,原苏联也完成500kV 输电系统。 1965年,前苏联建成400kV 直流输电线路。同年,加拿大建成765kV 交流输电线路。目前最高800kV 1989年,前苏联建成一条世界上最高电压1150kV、长1900km
10、交流输电线路。,17,1.1.2 中国电力工业的发展,1.1.2 中国电力工业的发展 1882年上海创建第一个12kW 发电厂,已有120年历史。 1949年,全国发电装机容量185万kW,年发电量43亿kWh 1978年,装机容量达到5712万kW,年发电2566亿kWh。(30倍) 2010年,装机容量9.5亿千瓦,年发电量4.3万亿kWh。(510倍),18,中国电力工业的发展,发电机: 1975年,自行设计制造第一台30万kW汽轮发电机。 目前,国内运行最大机组是60万kW汽轮发电机和90万kW核电机组。(2012年,莱州电厂,100万kW),汽轮发电机组,水轮发电机组,19,中国电力
11、工业的发展,输电线路: 1972年,建成330kV 输电线路。 1981年,建成第一条500kV输电线路,河南姚孟到武汉 。 山东第一条500kV线路,邹县-济南-潍坊376km,1987年建成投产。 1990年,第一条葛洲坝至上海500kV 直流输电线路。 2008年,国家电网1000 kV特高压骨干网架示范工程已在晋城南阳荆门之间建成并投入使用。,20,中国电力工业的发展,国家特高压发展规划,21,中国电力工业的发展,1978年后的中国电力系统 2009年,世界最大水电站三峡水电站全部完工:32台70万kW水轮发电机组,总装机2250万kW;,22,中国电力工业的发展,1978年后的中国电
12、力系统 2010年,装机容量9.62亿kW,其中风电装机4182.7万kW,水电装机2.1亿kW,双双跃居世界第一;世界首条800kV、1500km云广特高压直流投产、向家坝-上海800kV、1907km特高压直流输电示范工程成功投入运行;,云广特高压直流输电,23,中国电力工业的发展,向家坝-上海 特高压直流输电走廊,24,1.1.3 电力工业的特点,电力工业主要包括5个生产环节:发电,输电,变电;配电;用电 电力生产过程是连续的,发、输、变、配电和用电在同一瞬间完成,因此发电、供电、用电之间,必须随时保持平衡。 电力系统内,各环节在电磁上相互耦合,因此,任何一点发生故障,都会在瞬间影响和波
13、及全系统,处理不当,会引起连锁反应,导致事故扩大,严重时会发生大面积停电事故。 电力生产过程有严格的统一调度制度。系统内各个电厂、变电站和供电所都必须接受统一调度,执行调度员的命令;,25,电能对现代生活的影响,无电的现代社会谈不上“现代”,现代社会缺了电将困难重重。 想一想,一家停电会出现什么不便?一个城市呢? 案例:2003年8月14日,美加电网东北部大停电,2003年8月14日,美国东北部和加拿大联合电网发生大面积停电事故。 事故起始于俄亥俄州克夫兰的一家电力公司没有及时修剪树木,导致在用电高峰期,高压电线下垂,触到树枝而短路。 随后,俄亥俄的一家发电厂因此下线,接连发生的一系列突发事件
14、产生累计效应,历时1小时发展成大面积停电事故。,26,美加电网“8.14”大停电,此次大停电波及美国俄亥俄、密歇根、宾夕法尼亚、纽约、佛蒙特、麻萨诸赛、康涅狄格、新泽西(8个州)以及加拿大2个省(包括安大略省),5000余万居民受到影响,停电负荷大于6200万kW; 美国估计损失40-100亿美元,加拿大8月份GDP下降0.7,安大略制造业销售量下降23亿加元; 在加拿大的多伦多,地铁运输全部停顿,绝大部分商店都关门停业。纽约市地铁全部瘫痪,全市的地面交通也全面停止。大停电至少造成8人死亡,至少有21家发电厂在停电期间关闭。 8月15日,美国总统布什发表讲话:“危及国家安全”。,27,美加电网
15、“8.14”大停电,停电后纽约的夜景,28,美加电网“8.14”大停电,停电后受困的人们,29,美加电网“8.14”大停电,Satellite Picture of USA,30,美加电网“8.14”大停电,无奈的自由女神,31,1.1.4 直流电源,直流电源是指能够提供直流电流(电流的方向不变)的电源。包括两大类: 一类是指化学电源,如干电池、蓄电池、燃料电池等。 (可移动) 一类是指由交流电变换来的直流电源, 如线性稳压电源、开关型稳压电源 (简称开关电源)和特种直流电源等。 (不可移动),32,1.1.5 交流电源,交流电源:是指电流大小和方向都随时间周期性变化的电源称为交流电源。 绝大
16、多数电能的存在形式 交流电的幅值、频率和初相位是构成交流电的三大要素。 在我国,电力网称为工频交流电源,频率为50Hz。,33,1.1.6 形形色色的用电负载与电能变换,电网提供的是固定电压、固定频率的交流,与多种负载的需求形成矛盾。 这就需要对电能进行变换。,电网提供的电能: 50Hz工频交流电,34,1.2 电子技术基本知识,电子技术是十九世纪末、二十世纪初发展起来的新兴技术,是二十世纪发展最迅速、应用最广泛的技术,成为近代科学技术发展的一个重要标志。 进入21世纪,人们面临的是以微电子技术(半导体和集成电路)为代表、电子计算机和因特网为标志的信息社会。 现代电子技术在国防、科学、工业、医
17、学、通讯(信息处理、传输和交流)及文化生活等各个领域中都起着巨大作用。 现在的世界,电子技术无处不在:收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪,可以说,人们现在生活在电子世界中,一天也离不开它。,35,电子技术的应用,电子技术的应用:,36,电子器件的两个发展阶段,电子技术是以电子器件的发展为基础的,电子器件的发展分为两个阶段: 分立元件阶段(19051959) 真空电子管 半导体晶体管 集成电路阶段(1959) SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI,37,分立元件阶段,电子管时代(19051948),1
18、905年 爱因斯坦阐述相对论Emc2 1906年 德福雷斯特在弗莱明真空二极管上加栅极,制成第一只真空三极管,具有开创性的里程碑意义 1912年 阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管 1922年 弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机 1934年 劳伦斯研制成回旋加速器 1940年 帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机 1947年 肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管;,38,分立元件阶段,真空二极管 真空三极管 真空三极管的外形 真空管的结构及外形图,真空电子管,39,a) 真空二极管的简化工作原理,电子单向移动,40,b)真空三极管的简化工作原理,电子流量受控单向移动,41,分立元件阶段,晶体管时代(1
19、9481959),1947年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个晶体管,具有开创性的里程碑意义 1948年 贝尔实验室的香农发表信息论的论文 1950年 麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器 1954年 贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅 1957年 苏联发射第一颗人造地球卫星 1958年 美国得克萨斯仪器公司和仙童公司研制成第一个集成电路,42,分立元件阶段,左起:巴丁(JBardeen)、肖克莱(WSchokley) 和布拉顿(WHBrattain) 晶体管的三位发明人,几种常见的三极管外形,43,集成电路阶段(1959),自1958年第一块集成元件问世以来,集成电路已经跨越了小
20、、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶,集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高,器件尺寸不断减小。,44,集成电路阶段(1959),集成电路制造技术的发展日新月异,其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类,它们构成了现代数字系统的基石。,可编程逻辑器件(PLD),微控制芯片(MCU),数字信号处理器(DSP),大规模存储芯片(RAM/ROM),优点: 体积小、重量轻 耗能少 速度快、能力强 需要软件配合,45,电子计算机的发展简介,伴随着电子技术而发展起来的电子计算机所经历的四个阶段,充分说明了电子技术发展的四个阶段的特性。 第一代(19461957)电子管计算机,46,电子计算机
21、的发展,世界上第一台电子计算机:1946年在美国研制成功,取名ENIAC。使用18800个电子管,占地170平方米,重达30吨,功率140千瓦,价格40多万美元,每秒可进行5000次加法和减法运算。 1946.2交付使用,1955.10最后切断电源,服役长达9年。,ENIAC,47,电子计算机的发展,第二代(19581963)晶体管计算机: 基本电子元件是晶体管,内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。 与第一代电子管计算机相比,晶体管计算机体积小,耗电少,成本低,逻辑功能强,使用方便,可靠性高 。(IBM 7090为代表),IBM 7090,48,电子计算机的发展,第三代(19641970
22、)集成电路计算机: 基本元件是小规模集成电路和中规模集成电路,磁芯存储器进一步发展,并开始采用性能更好的半导体存储器,运算速度提高到每秒几十万次基本运算。 由于采用了集成电路,第三代计算机各方面性能都有了极大提高:体积缩小,价格降低,功能增强,可靠性大大提高。 (IBM 360系列为代表) IBM360的开发总投资5亿美元, 2000名程序员夜以继日地工作, 单单操作系统的开发就用了 5000个人年。 特点:通用化、系列化和标准化, 影响深远,划时代的杰作。,IBM 360 集成电路 计算机,49,电子计算机的发展,第四代(1971)大规模集成电路计算机: 基本元件是大规模集成电路,甚至超大规
23、模集成电路,集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器,运算速度可达每秒几百万次,甚至上亿次基本运算。具有体积小、功能强、可靠性高等特点。,品牌电脑,50,四代计算机对比,51,1.3 电力电子技术概述,1.3.1 电子技术(广义)的两大分支:,信息电子技术: 信息电子技术主要用于信息处理:对声音、图像、文字、数字等各种信号进行获取、加工、处理、存储、传播和使用。 主要器件:晶体管、集成电路 包括子学科:电子科学和技术、电子信息工程、通讯工程、 微波工程,计算机工程等。,52,1.3.1 电子技术的两大分支,电力电子技术: 定义:是应用于电力领域的电子技术,利用电力电子器件对电能进行变换和控制的
24、一门新兴学科。 是弱电与强电相互结合,由弱电控制强电的新领域。 弱电:低电压、小电流电子电路; 强电:高电压,大电流电力电路。 所用器件:采用半导体材料制成,故称电力半导体器件、电力电子器件、开关器件、电力电子开关等。 包括:晶闸管、绝缘栅极晶体管IGBT、电力晶体管、电力场效应管、门极可关断晶闸管等。 应用场合:主要为各种负载提供合适的电源、电力系统能量变换等。,53,1.3.1 电子技术的两大分支,据统计,大约有60%以上的电能是经过电力电子技术处理后被使用的,发达国家已达到80%,中国大约为50%。 家庭 在很多大学和国际组织(包括美国IEEE电力电子学会)的文件中,都把电力电子称为一种
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