電力電子-1 基礎(chǔ)知識(shí)

1、同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院電力電子與運(yùn)動(dòng)控制同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院授課教師 授課教師徐志宇博士，高級(jí)工程師智信館（電信學(xué)院） 342 室2/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院課程參考資料教材 王兆安，劉進(jìn)軍主編電力電子技術(shù)（第5 版），機(jī)械工業(yè)出版社，2009 .7. 阮毅、陳伯時(shí)主編.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版）,機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1.主要參考書： Binmal K Bose. Modern Power Electronics and AC Drives. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002. Leo

2、nhard W. Control of Electrical Drives 3rd ed. Springer-Verlag, 2001 陳伯時(shí)，陳敏遜編. 交流調(diào)速系統(tǒng).2版 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005. 楊興瑤編. 電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理與系統(tǒng). 水利電力出版社, 1995. Jai P Agrawal. 電力電子系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì). 清華大學(xué)出版社, 2001. 正田英介. 電力電子學(xué). 科學(xué)出版社, 2001.3/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院成績(jī)?cè)u(píng)定7 次書面作業(yè)，每次大約4-8個(gè)練習(xí)題。2個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)題，要求采用 Matlab 進(jìn)行聯(lián)合仿真。課程設(shè)計(jì)若干項(xiàng)，由學(xué)生自由選擇

3、開展創(chuàng)新類課程設(shè)計(jì)。成績(jī)計(jì)入獎(jiǎng)勵(lì)加分。8 次實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn) + 4 次計(jì)算機(jī)自主仿真實(shí)驗(yàn)。課程考核由平時(shí)考核、期末考試和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（作為獎(jiǎng)勵(lì)加分）構(gòu)成。 平時(shí)考核由課堂討論、作業(yè)、課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)組成，占總成績(jī) 40% 期末課程考試成績(jī)占 60 獎(jiǎng)勵(lì)加分原則上不超過5分，總分不超過100分。4/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院第一部分 預(yù)備知識(shí)電力電子與電力電子與運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院0 0 電力電子與電力電子與運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制知識(shí)結(jié)構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)6/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.

4、1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)概念概念 電力電子技術(shù)：應(yīng)用于電力電子技術(shù)：應(yīng)用于電力電力領(lǐng)域的領(lǐng)域的電子電子技術(shù)。技術(shù)。電力電子技術(shù)中所變換的電力電子技術(shù)中所變換的“電力電力” ” 有區(qū)別于有區(qū)別于“電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)”所指的所指的“電電力力” ” ，后者特指電力網(wǎng)的，后者特指電力網(wǎng)的“電力電力” ” ，前者則更一般些。，前者則更一般些。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。 7/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)

5、電子與信息工程學(xué)院1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)具體地說，電力電子技術(shù)就是使用具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件，電力電子器件，對(duì)對(duì)電電能能進(jìn)行進(jìn)行變換變換和和控制控制的技術(shù)。的技術(shù)。 電力電子器件的制造技術(shù)：電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力電子器件的制造技術(shù)：電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。 變流技術(shù)：電力電子技術(shù)的核心變流技術(shù)：電力電子技術(shù)的核心。 輸入輸入 輸出輸出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斬波直流斬波 交流交流（AC）交流電力控制交流電力控制變頻、變相變頻、變相逆變逆變 表表1-1 電力變換的種類電力變換的種類8/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)

6、院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子學(xué)電力電子學(xué) 美國學(xué)者美國學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)電力學(xué)、電子學(xué)電子學(xué)和和控制控制理論理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。圖圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角描述電力電子學(xué)的倒三角形形9/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和電子學(xué)電力電子技術(shù)和電子學(xué)電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基

7、于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。同的。電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。的主要關(guān)系。 10/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 各種電力電子裝置廣泛各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功

8、補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無論是電源等之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電國內(nèi)國外，通常都把電力電 圖圖1-2 1-2 電氣工程的雙三角形描述電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-21-2用兩個(gè)三角形對(duì)電用兩個(gè)三角形對(duì)電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué)氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程

9、一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系?？苾?nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。 11/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.1 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和控制理論電力電子技術(shù)和控制理論 控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和

10、強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。 12/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)

11、的誕生是以1957年年美國通用電氣公司研制出美國通用電氣公司研制出第一個(gè)第一個(gè)晶閘管晶閘管為標(biāo)志的。為標(biāo)志的。13/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。 1904年出現(xiàn)了年出現(xiàn)了電子管電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。信和無線電，開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代到年代到50年代年代，水銀整

12、流器水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組直流發(fā)電機(jī)組來變流。來變流。 1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管，晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。 14/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程

13、學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管時(shí)代晶閘管時(shí)代 晶閘管晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。 晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控半控型器件型器件。對(duì)晶閘管電路的控制

14、方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式相控方式。晶。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。到了很大的局限。15/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史全控型器件和電力電子集成電路（全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管電力雙極型晶體管（BJT）和和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)

15、晶體管（Power-MOSFET）為代表的為代表的全控型器全控型器件件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可使其制既可使其開通開通又可使其又可使其關(guān)斷關(guān)斷。 采用全控型器件的電路的主要控制方式為采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式斬波控制方式，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱斬控方式斬控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的為代表的復(fù)合復(fù)合型器件型器件異軍

16、突起。它是異軍突起。它是MOSFET和和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)，與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）和和集成門極換流晶閘管（集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了復(fù)合了MOSFET和和GTO。16/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史把把驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、控制控制、保護(hù)電路保護(hù)電路和和電力電子器件電力電子器件集成在一起，構(gòu)成集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電電力電子集成電路（路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技，這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要

17、方向。電力電子集成技術(shù)包括以術(shù)包括以PIC為代表的為代表的單片集成技術(shù)單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)混合集成技術(shù)以及以及系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)。隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率工作頻率也不斷提高。也不斷提高。與此同時(shí)，與此同時(shí)，軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗開關(guān)損耗降為降為零，從而提高了電力電子裝置的零，從而提高了電力電子裝置的功率密度功率密度。 17/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用

18、電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。 一般工業(yè)一般工業(yè) 工業(yè)中大量應(yīng)用的工業(yè)中大量應(yīng)用的交直流電動(dòng)機(jī)交直流電動(dòng)機(jī)，均采用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速。，均采用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速。 對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等，近年來也采用了對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等，近年來也采用了變頻裝置變頻裝置，以達(dá)到節(jié)

19、能的目的。以達(dá)到節(jié)能的目的。 18/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖圖1-4 AB變頻器變頻器有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電電化學(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。裝置也需要整流電源。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高

20、頻電力電子技術(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。弧爐電源等場(chǎng)合。19/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝整流裝置置，交流機(jī)車采用，交流機(jī)車采用變頻裝置變頻裝置。直流斬波器直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁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)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引

21、電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種的各種輔助電源輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。也都離不開電力電子技術(shù)。 電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池蓄電池的充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)，它們也要靠變頻器變頻器和和斬波器斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。驅(qū)動(dòng)并控制。 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。20/741.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程

22、學(xué)院電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥整流閥和受和受電端的電端的逆變閥逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的的IGBT器件。近年發(fā)展起來的器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子也是依靠電力電子裝置才

23、得以實(shí)現(xiàn)的。裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生靜止無功發(fā)生器（器（SVG）、有源電力濾波器（有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的的無功補(bǔ)償無功補(bǔ)償或或諧波抑制諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。，改善供電質(zhì)量。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都在變電所

24、中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。需要電力電子裝置。 21/741.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）晶閘管投切電容器（下）22/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓

25、等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的采用全控型器件的高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。 在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源（不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝供

26、電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。置。23/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用家用電器家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、電冰箱、不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。其它其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各

27、航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來起動(dòng)和調(diào)速。抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。也離不開電力電子技術(shù)。24/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，

28、其地位也越來越重要。 新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時(shí)，更離時(shí)，更離不開電力電子技術(shù)。不開電力電子技術(shù)。核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學(xué)這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)些特種電源，這也是電力電子

29、技術(shù)的用武之地。的用武之地。圖圖1-7 風(fēng)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)25/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)定義：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)定義： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科相關(guān)知識(shí)：相關(guān)知識(shí)： 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)等1.4 1.4 什么是運(yùn)動(dòng)控制什么是運(yùn)動(dòng)控制26/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1919世紀(jì)世紀(jì)8080年代年代以前以前-僅有直僅有直流電氣傳動(dòng)流電氣傳動(dòng)1919世紀(jì)

30、末，出現(xiàn)交流電機(jī)（鼠世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機(jī)（鼠籠式異步交流電機(jī)）籠式異步交流電機(jī)）-開始逐步使用交流電氣傳動(dòng)開始逐步使用交流電氣傳動(dòng)2020世紀(jì)后期世紀(jì)后期交流調(diào)速興起交流調(diào)速興起2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代起，形成直流年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局調(diào)速，交流不調(diào)速的格局1.5 1.5 運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展簡(jiǎn)史27/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院工業(yè)生產(chǎn):軋鋼 造紙 機(jī)床傳動(dòng)交通運(yùn)輸:電力機(jī)車 電動(dòng)汽車軍事:雷達(dá)天線跟蹤設(shè)備家電:CD機(jī) 自動(dòng)洗衣機(jī)1.6 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用28/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)

31、院熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工藝工藝干熄焦系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備熄焦車為大型移動(dòng)機(jī)械設(shè)備(滿載時(shí)每車均重約為120噸)，由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿軌道運(yùn)行，往返于焦?fàn)t和熄焦塔之間，接收任一指定碳化室的紅焦，并將其運(yùn)往熄焦塔熄焦。29/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院技術(shù)要求技術(shù)要求 熄焦車可在03m/s速度范圍內(nèi)按工藝要求的任意速度行駛，并實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，及軟起動(dòng)、軟停車。 熄焦車完成接焦后，在2分鐘之內(nèi)行駛到提升機(jī)下指定位置，行駛距離為285m，并完成自動(dòng)定位停車，干熄焦一期工程要求其定位精度達(dá)到0.1m，二期工程要求其停位精度達(dá)到0.01m。 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與其它相關(guān)設(shè)備間的聯(lián)

32、鎖控制和各種信息傳輸；能融入整個(gè)企業(yè)的管控一體化網(wǎng)絡(luò)。熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)30/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院難點(diǎn)難點(diǎn)n大慣性負(fù)載、調(diào)速范圍寬、非線性大慣性負(fù)載、調(diào)速范圍寬、非線性從調(diào)速系統(tǒng)的角度來分析提示從調(diào)速系統(tǒng)的角度來分析提示結(jié)論結(jié)論03m/s速度每車均重約為120噸熄焦車完成接焦后，在2分鐘之內(nèi)行駛到提升機(jī)下指定位置，行駛距離為285m，并完成自動(dòng)定位停車熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)熄焦車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)31/21同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院從類型上分從類型上分 直流電動(dòng)機(jī) 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)） 交流同步電動(dòng)機(jī)。從用途上分從用途上分n用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)n用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象32/74同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院電力電子型功率放大與變換裝置電力電子型功率放大與變換裝置 半控型向全控型發(fā)展半控型向全控型發(fā)展 低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展 分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置33/74同