電力電子技術(shù)王兆安第一章

電力電子技術(shù)

PowerElectronicTechnology

第二章電力電子器件第三章整流電路第四章逆變電路第五章直流-直流變流電路第六章交流-交流變流電路第七章PWM控制技術(shù)第八章軟開關(guān)技術(shù)第九章電力電子器件應(yīng)用的共性問題第一章緒論第十章電力電子技術(shù)的應(yīng)用第一章緒論1.1什么是電力電子技術(shù)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.4本課程的內(nèi)容介紹數(shù)字電子技術(shù)模擬電子技術(shù)電力電子技術(shù)信息電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)：信息處理電力電子技術(shù)：電力變換電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，也就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。從轉(zhuǎn)換的功率來講，可在1W～1GW之間。1.1什么是電力電子技術(shù)1.1.1

概念電壓、電流、頻率、功率直流電力交流交流變交流直流變直流直流變交流（逆變）交流變直流（整流）電力變換表1-1電力變換的種類

交流輸入輸出直流直流交流整流直流斬波交流電力控制變頻、變相逆變電力變換的技術(shù)——變流技術(shù)1.1.2兩大分支變流技術(shù)電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路{對這些電路進行控制的技術(shù)變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）——電力電子技術(shù)的核心電力電子器件制造技術(shù)—

電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)電力電子電路——電力變換和控制

電子電路——信息處理電子電路電力電子電路信息電子電路器件開關(guān)狀態(tài)放大狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)電力電子電路器件1.1.3與其他學(xué)科的關(guān)系與電子學(xué)的關(guān)系許多分析方法一致，僅應(yīng)用目的不同廣義而言，電子電路中的功放和功率輸出也可算做電力電子電路電力電子電路廣泛用于電視機、計算機等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程與電力學(xué)的關(guān)系電力電子技術(shù)高壓直流輸電靜止無功補償交直流電力傳動電解電鍍電加熱電力機車牽引電氣工程分支高性能交直流電源與控制理論的關(guān)系控制理論電力電子技術(shù)弱電和強電接口弱電控制強電基礎(chǔ)元件支撐技術(shù)實現(xiàn)廣泛用于電力電子裝置是自動化技術(shù)的地位和未來

電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù)，是把粗電變?yōu)檫m合使用的精電的轉(zhuǎn)換技術(shù)電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的新技術(shù)電力電子技術(shù)在21世紀(jì)將更加迅速發(fā)展

未來科學(xué)技術(shù)兩大支柱控制技術(shù)電力電子技術(shù)計算機

史前期1904-19571904

電子管誕生

1970

全控型器件迅速發(fā)展晶閘管時代

1957-1970

1957晶閘管問世

1930-1947

水銀整流器時代1947晶體管出現(xiàn)

20世紀(jì)80年代后期，以IGBT為代表的復(fù)合型器件突起，隨著全控型電力電子器件的不斷進步，一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的電力電子裝置也應(yīng)運而生。把若干個電力電子器件及必要的輔助元件做成模塊的形式，這給應(yīng)用帶來了很大的方便。

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史模塊化、集成化。器件及其輔助電路，PIC，PWM.

1957年美國通用電氣公司快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管電力晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等圖1-3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（1）一般工業(yè)直流電動機有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置直流電動機可控整流電源近年來電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機的調(diào)速性能可與直流電機媲美，交流調(diào)速技術(shù)大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。幾百W到數(shù)千kW的變頻調(diào)速裝置，軟起動裝置等交流電機電化學(xué)工業(yè)中整流變壓器冶金工業(yè)中高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)備電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都用到。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、淬火電源及直流電弧爐電源等需要大容量整流電源的場合。電鍍裝置也需要整流電源(2)交通運輸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整流裝置，交流機車采用變頻裝置（FrequencyInverter）。直流斬波器（DCChopper）也廣泛用于鐵道車輛。在磁懸浮列車中，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，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)磁懸浮列車電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換（PowerConversion）和驅(qū)動，控制其蓄電池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，它們也要靠變頻器（FrequencyInverter）和斬波器（Chopper）驅(qū)動并控制飛機、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術(shù)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用-交通運輸3如果把電梯也算做交通運輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，而近年來交流變頻調(diào)速（ACSpeedControlbyFrequencyVariation）已成為主流部分國內(nèi)外知名公司的變頻器

西門子（Siemens）公司施奈德公司

富士公司

安圣（華為電氣）變頻器系列ABB公司

(3)電力系統(tǒng)

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中有60%以上至少經(jīng)過一次電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。毫不夸張地說，離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的。直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的英文表達為：FlexibleACTransmissionSystems:應(yīng)用大功率、高性能的電力電子元件制成可控的有功或無功電源以及電網(wǎng)的一次設(shè)備等，以實現(xiàn)對輸電系統(tǒng)的電壓、阻抗、相位角、功率等的靈活控制，將原基本不可控的電網(wǎng)變得可以全面控制。從而大大提高電力系統(tǒng)的高度靈活性和安全穩(wěn)定性，使得現(xiàn)有輸電線路的輸送能力大大提高。

晶閘管變流裝置無功補償裝置無功補償和諧波抑制對電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器都是重要的無功補償裝置。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生器、有源電力濾波器等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功功率和諧波補償?shù)男阅?。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，以進行電能質(zhì)量控制，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，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置濾波電抗器有源電源濾波器示意圖（4）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器件的高頻開關(guān)電源(5)

家用電器

照明在家用電器中有十分突出的地位。由于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，通常被稱為“節(jié)能燈”，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈無極燈無燈絲和電極所以壽命長.一般4-6萬小時鈉燈金屬鈉作為發(fā)光物質(zhì),顯色性不高只有黃色光,用于公路隧道和碼頭照明.效率高.變頻空調(diào)控制器

變頻空調(diào)器（FrequencyConversionAir－Condition）是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機、音響設(shè)備、家用計算機等電子設(shè)備的電源部分也都需要電力電子技術(shù)。此外，有些洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)廣泛用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。(6)其他

不間斷電源（UninterruptablePowerSystem－UPS）在現(xiàn)代社會中的作用越來越重要，用量也越來越大。目前，UPS在電力電子產(chǎn)品中已占有相當(dāng)大的份額。航天飛行器（SpaceFlightAerocraft）中的各種電子儀器需要電源，載人航天器中為了人的生存和工作，也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)不間斷電源傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水力發(fā)電以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機后，各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快，燃料電池更是備受關(guān)注。太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，常需要儲能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要電力電子技術(shù)。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，也離不開電力電子技術(shù)。

為了合理地利用水力發(fā)電資源，近年來抽水儲能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動機的起動和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)4MWSolarPark,Hemau,Germany風(fēng)力發(fā)電YJ32雙繞組雙速異步風(fēng)力發(fā)電機水泵變頻、風(fēng)機變頻節(jié)能教材的內(nèi)容可分為三大部分第一部分：電力電子器件