電力電子技術緒論

1、電力電子技術電氣與電子工程學院與本課程相關的問題課程名稱：電力電子技術（Power Electronic Technology） 學 時：50學時，其中包括實驗6學時 學 分： 3學分課程性質：必修的專業(yè)基礎課與相關課程的關系：先修課程：高等數(shù)學、電路原理、模擬電子技術、數(shù)字電子技術后續(xù)課程：直流調速、交流調速、畢業(yè)設計。成績考核：本課程為考試課，其成績主要由以下幾部分構成： 實 驗： 占10%（由實驗室給出） 平時成績：占10%（主要指聽課的紀律、出勤) 作業(yè)（不得抄襲） 期末考試：占80%（閉卷筆試）第1章 緒 論 什么是電力電子技術電力電子技術的發(fā)展史電力電子技術的應用本課程的學習方法和

2、具體要求相關參考內容電力電子電路的計算機仿真軟件1 什么是電力電子技術？（1）定義：有幾種不同的說法 將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域，利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能的變換和控制，構成了一門完整的學科，被國際電工委員會命名為電力電子學（Power Electronics）或稱為電力電子技術。 電力電子技術是應用于電力領域的電子技術，是一門利用電力電子器件、電路理論和控制技術對電能進行處理、控制和變換的學科，是現(xiàn)代電子學的一個重要分支，也是電工技術的分支之一。國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的電力電子學會對電力電子技術的定義： 有效地使用電力半導體器件，應用電路

3、和設計理論以及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術，它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換。王兆安編著的教材的定義：就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。本教材的定義： 電力電子技術是與電能處理相關的技術學科。將電子技術與控制技術應用到電力領域，通過電力電子器件組成各種電力變換電路，實現(xiàn)電能的轉換與控制，稱為電力電子技術，或電力電子學。 從工程的對象和內容及手段幾方面理解電力電子技術。 對象：能量中的電能 內容：對電能的變換和控制 手段：利用電力電子器件（半導體器件） （2）與其他學科之間的關系： 電力電子技術是一門綜合了電子技術、控制技術和電力技術的新興交叉學科，

4、包括電力電子器件、電力電子電路(變流電路)和控制技術三個主要組成部分。 可用下圖形象地描述電力電子技術這一學科的構成及與其他學科的關系。 電力電子學的名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的，在1974年，美國的WNewell用這個倒三角形對電力電子學進行了描述，認為：電力電子學是由電力技術、電子技術和控制技術三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。 與電子技術的關系： 模擬電子技術 信息電子技術 電子技術 數(shù)字電子技術 電力電子技術 信息電子技術主要用于信息處理； 電力電子技術主要用于電力變換和控制。電子技術一般是指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。這里指的就是信息電子技術。 電力電子

5、技術與信息電子技術的關系： 電力電子技術與信息電子技術的關系： A 都分為器件和應用兩大分支； B 器件的材料、工藝基本相同，都采用微電子制 造技術，二者同根同源； C 應用的理論基礎、分析方法、分析軟件也基本相同；工作狀態(tài)不同：信息電子電路的器件可工作在開關 狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件 一般只工作在開關狀態(tài)。應用目的不同：信息電子技術用于信息處理，電力 電子技術用于電力變換和控制。 與電力技術（電氣工程）的關系：電力電子技術廣泛用于電氣工程中，如：高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源等。國內外均把電力電子技術歸為電氣

6、工程的一個分支；電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。與控制技術（自動化技術）的關系：控制技術廣泛用于電力電子技術中；電力電子技術是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接 口，控制技術是這種接口的強有力的紐帶；電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。結論： 電力電子技術包括電力電子器件、電力電子線路和控制技術三個部分。 （）電力電子技術的研究任務：電力電子器件的應用；電力電子電路的電能變換原理；控制技術以及電力電子裝置的開發(fā)與應用。（）電力電子技術的地位和未來： 以計算機為核心的信息科學將是21世紀起主導作用的科學技術之一，而電力電子技術和運動控制一起，將和計算機技術共同成為

7、未來科學技術的兩大支柱。 電力電子技術是電能變換技術，是把電網或其他電源提供的“粗電”變成適合于使用的“精電”的技術。而能源是人類社會的永恒話題，電能又是最優(yōu)質的能源。 因此，電力電子技術將青春永駐。 電力電子技術是20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術，在21世紀仍將以迅猛的速度發(fā)展，并將起著十分重要的作用，有著十分光明的未來。 2電力電子技術的發(fā)展電力電子技術的兩大分支： 電力電子器件制造技術：是電力電子技術的基礎， 也是電力電子技術發(fā)展的動力，其理論基礎是半導體物理。 電力電子器件應用技術（也稱變流技術）： 是用電力電子器件構成的電力變換電路和 對其進行控制的技術，以及構成電力電子裝置

8、和電力電子系統(tǒng)的技術。 它是電力電子技術的核心，其理論基礎是電路理論。 電力電子技術 （1）電力電子器件的發(fā)展：其發(fā)展過程也就是電力電子技術的發(fā)展過程。 1904年：電子管問世；之后出現(xiàn)了汞弧整流器。 汞弧整流器：把水銀封于真空管內，利用對其蒸氣的點弧可對大電流進行控制，其性能和晶閘管很相似。 30年代50年代：是汞弧整流器發(fā)展迅速并大量應用的時期。 1947年：美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術的一場革命。 1956年：美國研制出了最先用于電力領域的半導體器件硅整流二極管（SR）。它廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所、軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。 1957年：

9、美國通用電氣公司發(fā)明了晶閘管（SCR），（即普通反向阻斷型可控硅）。它標志著電力電子技術的誕生。 但在此之前，用于電力變換的電子技術就已經存在了，把晶閘管出現(xiàn)前的時期稱為史前期或黎明期。 到了70年代：晶閘管形成了從低壓小電流到高壓大 電流的系列產品。從70年代開始，在其后的30年時間里，相繼出現(xiàn)了一系列晶閘管的派生器件： 不對稱晶閘管（ASCR） 逆導晶閘管（RCT） 雙向晶閘管（TRIAC） 光控晶閘管（LASCR）晶閘管派生器件 快速晶閘管（FST） 高頻晶閘管 可關斷晶閘管（GTO） 集成門極換流晶閘管（IGCT） MOS柵控晶閘管（MCT） 在晶體管問世20多年后，用于電力變換的功率

10、晶體管（GTR）才進入到工業(yè)應用領域，到了80、90年代，GTR廣泛應用于小功率的電路中。 在70年代后期，功率場效應晶體管（MOSFET）開始進入實用階段，80年代取得了很大的進展。 在80年代后期，又出現(xiàn)了絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），它集MOSFET、GTR、GTO（可關斷晶閘管）的優(yōu)點于一身，在大容量、高頻率的電力電子電路中表現(xiàn)出非凡的性能。 多年來，為了提高電力電子裝置的功率密度以減小體積，把多個大功率器件組成的各種單元與驅動、保護電路集成一體，構成了功率集成電路（PIC）。 隨著微電子技術的發(fā)展，在80年代又誕生了智能功率模塊（IPM），它將具有驅動、保護、診斷功能的IC與電力半

11、導體器件集成在一個模塊中，并可用于10100kW功率等級的電力電子系統(tǒng)中。 晶閘管問世，(公元元年)IGBT出現(xiàn) 功率集成器件晶閘管時代水銀（汞弧）整流器時代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生上述的發(fā)展過程可用下圖來表示： 上述發(fā)展過程中的電力電子器件可分為三代：第一代電力電子器件:硅整流管和晶閘管(SCR) 第二代電力電子器件 :電力晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(GTO)、電力場控晶體管(功率MOSFET)、 靜電感應晶體管(SIT)、MOS控制晶閘管(MCT)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。第三

12、代電力電子器件 ：高頻化、標準模塊化、集成化和智能化 。功率集成電路(PIC)分為智能功率集成電路(SPIC)和高壓集成電路(HVIC)兩類 。 由上可知：電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標志的，是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子技術，向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子技術方向發(fā)展。所以電力電子技術的發(fā)展主要分為兩個階段：1）傳統(tǒng)電力電子技術：時 間：1957年1980年。典型產品：晶閘管及其派生器件。兩個分支： 微電子學以晶體管集成電路為核 心形成的對信息的處理技術。 特點：集成度越來越高，規(guī)模越來越 大，功能越來越全。 電力電子技術以晶閘管為核

13、心形成的對電力的處理技術。 特點：晶閘管的派生器件越來越多，功率越來越大，性能越來越好。 典型電路：不可控整流電路、相控整流電路、逆變電路以及交流變換電路。2）現(xiàn)代電力電子技術：時 間：1980年現(xiàn)在。典型產品：功率場效應管（MOSFET）、絕緣柵雙極 型晶體管（IGBT）等。特 點：集成化、高壓、大電流； 高頻化：GTO（可關斷晶閘管）12kHz， 電力二極管 2 5kHz， MOSFET 數(shù)百kHz。 全控化：避免了傳統(tǒng)器件關斷時所需要的強 迫換流電路。 電路弱電化，控制技術數(shù)字化。 多功能化：傳統(tǒng)的，只有開關功能，多用于 整流； 現(xiàn)代的，不但有開關功能，還可以 放大、調制、振蕩、邏輯運算

14、等。 關于電力電子器件的分類： 不可控器件：硅整流管（SR） 半可控器件：只能通過門極電壓控制其 開通不能控制其關斷。1）按控制特性分類 代表器件是晶閘管（SCR） 全控型器件：通過對門極（基極或柵極） 的控制既可使其開通又可使 其關斷。其代表器件是 GTO （可關斷晶閘管）和IGBT（絕緣柵雙極晶體管）2）按控制模式分類： 電流型控制模式器件 電壓型控制模式器件。 工頻器件3）按工作頻率分類 中頻器件 高頻器件 分立器件： 功率集成模塊：由驅動、控制、 傳感、保護、邏輯電路等集成在一4）按器件結構分類 起構成的。 復雜模塊：將功率變換電路與觸發(fā)控制 電路、緩沖電路、檢測電路等組合。 （2）電

15、力電子電路及其控制技術的相關概念：1）電力電子電路的概念： 電力電子電路的根本任務是實現(xiàn)電能變換和控制。能夠完成電能變換和控制的電路稱為電力電子電路。2）電力電子電路的基本形式：有四種直流變換電路：將直流電能轉換為另一固定電壓或可調電壓的直流電能的電路。也稱開關型DC/DC變換電路或稱直流斬波器。逆變電路：將直流電能變換為交流電能的電路。 也稱為DC/AC變換電路。 逆變器：指完成逆變的電力電子裝置。 有源逆變：將逆變電路的交流側接到交流電 網上，把直流電逆變成同頻率的 交流電反送到電網中去。 無源逆變：將逆變電路的交流側直接接到負 載上，把直流電逆變成某一頻率 或可變頻率的交流電供給負載。

16、整流電路：將交流電能轉換為直流電能的電路。 也稱AC/DC變換電路。 整流器：完成整流任務的電力電子裝置。 逆變電路 交流變換電路：把交流電能的參數(shù)（幅值、頻率） 加以轉換的電路。 也稱為AC/AC變換電路。根據變換參數(shù)的不同，交流變換電路可分為： 交流調壓電路是維持頻率不變，僅改變輸出 電壓的幅值。 交交變頻電路也稱直接變頻電路（或周波 變流器），是不通過中間直 流環(huán)節(jié)而把電網頻率的交流 電直接變換成不同頻率的交 流電的變換電路。 上述四種變換可用下圖表示：將交流電能轉換為直流電能的電路，稱為整流電路。將直流電能轉換為交流電能的電路，稱為逆變電路。將一種直流電能轉換成另一固定電壓或可調電壓的

17、直流電的電路，稱為斬波電路 。將固定大小和頻率的交流電能轉換為大小和頻率可調的交流電能的電路，稱為調壓電路或交流變換電路。 3）電力電子電路的控制技術： 要讓電力電子電路完成各種工作任務，必須為功率變換主電路配以提供門極驅動信號的控制電路。 提供門極驅動信號控制電路的方法就稱為電力電子電路的控制技術。 電力電子電路的控制技術主要有： 相控方式：就是采用延時脈沖控制功率器件導通的相位來控制。 PWM技術：就是利用電力電子器件的開通和關斷產生一定形狀的電壓脈沖序列，經過低通濾波器后實現(xiàn)電能變換，并有效地控制和消除諧波的一種技術。 軟開關技術：如果開關器件在開通過程中端電壓很小，在關斷過程中其電流也

18、很小，這種開關過程的功率損耗不大，這種技術稱為軟開關技術。 自動控制技術：主要用于動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度要求較高的場合。主要有PID控制方法、矢量控制方法。 3 電力電子技術的應用 電力電子技術在一般工業(yè)、交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)以及日常生活中得到了廣泛的應用，具體如下：電源方面：計算機高效綠色電源通信用高頻開關電源斬波器(DC-DC變換器)不間斷電源(UPS)高頻逆變式整流焊機電源大功率開關型高壓直流電源分布式開關電源供電系統(tǒng)電氣傳動方面：電力電子技術是電動機控制技術發(fā)展的最重要的物質基礎，電力電子技術的迅猛發(fā)展促使電動機控制技術水平有了突破性的提高。 利用整流器或斬

19、波器獲得可變的直流電源，對直流電動機電樞或勵磁繞組供電，控制直流電動機的轉速和轉矩，可以實現(xiàn)直流電動機變速傳動控制。 利用逆變器或交交直接變頻器對交流電動機供電，改變逆變器或變頻器輸出的頻率和電壓、電流，即可經濟、有效地控制交流電動機的轉速和轉矩，實現(xiàn)交流電動機的變速傳動。電力系統(tǒng)方面：隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子設備已開始進入電力系統(tǒng)并為解決電能質量控制提供了技術手段。靈活交流輸電技術(FACTS)定質電力技術 新型直流輸電技術同步開關技術 電力有源濾波器是應用現(xiàn)代電力電子技術和控制技術為實現(xiàn)電能質量控制，為用戶提供特定要求的電力供應的技術。是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。

20、目的在于用電子開關取代機械開關。 一般工業(yè)： 交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)交通運輸： 電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動力家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調、其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置1）一般工業(yè)軋鋼機數(shù)控機床冶金工業(yè)2）交通運輸3）電力系統(tǒng)SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS4）電子裝置用電源程控交換機電子裝置微型計算機5）家用電器6）其他大型計算機的UPS航天技術新型能源 現(xiàn)代電力電子技術能有效地解決以下問題： ）改善電網側功率因數(shù)，達到接近于1的理想目標。 ）有效地改善了電

21、網側和輸出側的諧波污染。 ）進一步提高了系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)了大幅度節(jié)能。 ）加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。 ）有效地控制環(huán)境噪聲污染。 總之，現(xiàn)代電力電子技術和裝置已成為新世紀電能控制和變換的主導技術和主流產品。 電力電子裝置提供給負載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說，電力電子技術研究的也就是電源技術。 電力電子技術對節(jié)能有著十分重要的意義，特別在大型風機、水泵采用變頻調速方面，在使用量十分龐大的照明電源方面，電力電子技術的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱為節(jié)能技術。 隨著科學技術的發(fā)展，新型功率器件將會不斷涌現(xiàn)，電力電子裝置及電力電子技術將朝著智能化、模塊化、小型化、大

22、容量、高效率、高頻化、高可靠性和綠色化的方向發(fā)展。 4 本課程的學習方法和具體要求開課目的與任務：（1）熟悉各種電力電子器件的特性和使用方法，掌握電力電子技術的基本知識和技能。（2）掌握各種電力電子電路的結構、工作原理、控制方法、設計計算方法及實驗技能，使學生具有初步分析和解決電力電子技術方面相關問題的能力。（3）為后續(xù)專業(yè)課程的學習和畢業(yè)設計打下堅實的基礎。課程重點、難點、教學方法： 重 點：電力電子器件的基本原理、電力電子線路的組成和工作原理。 難 點：對各種電力電子線路的波形分析、參數(shù)計算和工程設計方法。 教學方法： 以課堂教學為主，通過一定數(shù)量的習題、實驗、 考試和課程設計，深入掌握本

23、課程的基本概念、 基本理論和基本方法。 本課程的內容可分為三大部分：第一部分：電力電子器件（第2、4章，全書的基礎） 主要介紹各種電力電子器件的基本結構、工作原理、主要參數(shù)、應用特性，以及驅動、緩沖、保護、串并聯(lián)等器件應用的共性問題和基礎性問題。第二部分：各種電力電子電路（第3、5、6、7章，全書的主體），主要介紹各種電路的構成和工作原理。第三部分：軟開關技術（第8章） 學習方法： ）要著重物理概念與基本分析方法的學習，理論要結合實際，盡量做到器件、電路、系統(tǒng)（包括控制技術）應用三者結合。 ）要注意電路的波形和相位分析，抓住電力電子器件在電路中導通與截止的變化過程，從波形分析中進一步理解電路的工作情況。 3）要注意培養(yǎng)讀圖與分析、器件參數(shù)計算、電路參數(shù)測量、調