電力電子教案第1章緒論

1、電力電子技術(shù)POWER ELECTRONICS TECHNOLOGY講授：趙葵銀課時：64（含實驗10/卓越班12）授課專業(yè)：自動化本課程性質(zhì)：專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課第第1章章 緒論緒論 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 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 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1.4 本課程的內(nèi)容本課程的內(nèi)容1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)1.1.電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念 電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力電子技術(shù)就是應(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)。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)概念

2、：使用電力電子技術(shù)概念：使用電力電子器件電力電子器件 對對電能電能進(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)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。 課程名稱變遷課程名稱變遷：可控硅技術(shù)-半導(dǎo)體變流技術(shù)-電力電子技術(shù)。 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2.電力電子學(xué)電力電子學(xué) 美國學(xué)者美國學(xué)者W. New

3、ell認(rèn)為電力電子學(xué)是由認(rèn)為電力電子學(xué)是由電電力學(xué)力學(xué)、電子學(xué)電子學(xué)和和控制理論控制理論三個學(xué)科交叉而形成三個學(xué)科交叉而形成的。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3.與其他學(xué)科的關(guān)系與其他學(xué)科的關(guān)系電力電子技術(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)（都是基于半導(dǎo)體子器件制造技術(shù)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。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電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致

4、的。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。電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。 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、靜止無功補償、電力機車牽引、無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵交直流電力傳動、電解、勵磁、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 電氣工程的雙三角形描

5、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是電氣工程的一個二級學(xué)科。圖動是電氣工程的一個二級學(xué)科。圖1-2用兩個三角形對電用兩個三角形對電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學(xué)氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學(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學(xué)科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系?？苾?nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。 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，它使電力控

6、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電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電之間的接口。而制強電的技術(shù)，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐帶。帶。 另外，控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，另外，控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技二者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。 1.2 電力電子技

7、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)的誕生是以1957年年美國通用美國通用電氣公司研制出第一個電氣公司研制出第一個晶閘管晶閘管為標(biāo)志的。為標(biāo)志的。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)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。明期。 1904年出現(xiàn)了年出現(xiàn)了電子管電子管，它能在真空中對電子流進(jìn)行控，它能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電制，并應(yīng)用于

8、通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。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，水銀整流器水銀整流器廣泛用于電化學(xué)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機的傳工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變動，甚至用于直流輸電。這一時期，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)用。在電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時期，也應(yīng)用這一時期，也應(yīng)用直流發(fā)電機組直流發(fā)電機組來變流。來變流。 1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，

9、晶體管，引發(fā)了引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。電子技術(shù)的一場革命。 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管時代晶閘管時代 晶閘管晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使由于其優(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)變流機組，并且之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴大。電力電子技術(shù)的概念和基其應(yīng)用范圍也迅速擴大。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。的。 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于能使其關(guān)斷的

10、器件，屬于半控型器件半控型器件。對晶閘管電。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。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）和和電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power-M

11、OSFET）為代表的為代表的全控型器全控型器件件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（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。相對于相位控制方式，可稱之為方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式斬波控制方式，簡稱，簡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突起。它是異軍突起。它

12、是MOSFET和和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，與此相對，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。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)動驅(qū)動、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集成在一起，構(gòu)成一起，構(gòu)成電力電子集成電路（電力電子集成電路（PIC），這代表了，這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以技術(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

13、混合集成技術(shù)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，電力電子隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的電路的工作頻率工作頻率也不斷提高。與此同時，也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技軟開關(guān)技術(shù)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)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度功率密度。 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力

14、系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)系統(tǒng)、計算機系統(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。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)用各種工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動機交直流電動機，都是用電力，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。 一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機等近年來一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機等近年來也采用了也采用了變頻裝置變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。，以達(dá)到節(jié)能的目的。 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)速的電機為有些并不特別要求調(diào)

15、速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電力電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，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量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電源。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工電力電子技術(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、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合。淬火電源及直流電弧爐電源等場合。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用交通運輸交通運輸 電氣化鐵道中

16、廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機車中的電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機車中的直流機車中采用直流機車中采用整流裝置整流裝置，交流機車采用，交流機車采用變頻裝置變頻裝置。直流直流斬波器斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電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)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛中的各種中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)。 電動汽車的電機依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)電動汽車的電機依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動控制，其動控制，其蓄電池蓄電池的充電也離不開電

17、力電子裝置。一臺高的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器變頻器和和斬波器斬波器驅(qū)動并控制。驅(qū)動并控制。 飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。至少經(jīng)過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距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的在長距離、大容量輸電時有很大的

18、優(yōu)勢，其送電端的整整流閥流閥和受電端的和受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要采用全控型的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）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。也是依靠電力電子裝置才得以實現(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）、靜止靜止無功發(fā)生器（無功發(fā)生器（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等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的用于電力系統(tǒng)的無功補償無功補償或或諧波抑制諧波抑制

19、。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)電能質(zhì)量控制量控制，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，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。充電等都需要電力電子裝置。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）1.

20、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等級的直流各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機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器件的高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。大型計算機所需的工作電源、。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用微型計算機內(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。 在大型計算機等場合，常常需要在大型計算機等場合，常常需要不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。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。量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機，空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機， 不少洗衣不少洗衣機、電冰箱、微波