電力電子新技術(shù)第1章 緒論

電力電子新技術(shù)第1章緒論1.1什么是電力電子技術(shù)1.2電力電子技術(shù)的開(kāi)展史1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用1.4本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介1.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子技術(shù)的概念◆可以以為，所謂電力電子技術(shù)就是運(yùn)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。?電力電子技術(shù)中所變換的“電力〞有區(qū)別于“電力系統(tǒng)〞所指的“電力〞，后者特指電力網(wǎng)的“電力〞，前者那么更普通些。?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(shuō)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)。1.1什么是電力電子技術(shù)◆詳細(xì)地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是運(yùn)用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)展變換和控制的技術(shù)。?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的根底。?變流技術(shù)那么是電力電子技術(shù)的中心。

輸入輸出

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流

直流斬波

交流（AC）交流電力控制變頻、變相逆變

表1-1電力變換的種類(lèi)1.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子學(xué)◆美國(guó)學(xué)者W.Newell以為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制實(shí)際三個(gè)學(xué)科交叉而構(gòu)成的。圖1-1描畫(huà)電力電子學(xué)的倒三角形1.1什么是電力電子技術(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)的實(shí)際根底〔都是基于半導(dǎo)體實(shí)際〕是一樣的，其大多數(shù)工藝也是一樣的。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)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。1.1什么是電力電子技術(shù)各種電力電子安裝廣泛運(yùn)用于高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車(chē)牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無(wú)論是國(guó)內(nèi)國(guó)外，通常都把電力電圖1-2電氣工程的雙三角形描畫(huà)子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國(guó)，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1-2用兩個(gè)三角形對(duì)電氣工程進(jìn)展了描畫(huà)。其中大三角形描畫(huà)了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形那么描畫(huà)了電氣工程一級(jí)學(xué)科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和控制實(shí)際控制實(shí)際廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子安裝和系統(tǒng)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)電之間的接口。而控制實(shí)際那么是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制實(shí)際是自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)際根底，二者密不可分，而電力電子安裝那么是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。1.2電力電子技術(shù)的開(kāi)展史■電力電子技術(shù)的開(kāi)展史圖1-3電力電子技術(shù)的開(kāi)展史◆普通以為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。1.2電力電子技術(shù)的開(kāi)展史◆晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱(chēng)為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)展控制，并運(yùn)用于通訊和無(wú)線電，從而開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。?20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(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，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的實(shí)際曾經(jīng)開(kāi)展成熟并廣為運(yùn)用。在這一時(shí)期，也運(yùn)用直流發(fā)電機(jī)組來(lái)變流。?1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。1.2電力電子技術(shù)的開(kāi)展史◆晶閘管時(shí)代?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和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其運(yùn)用范圍也迅速擴(kuò)展。電力電子技術(shù)的概念和根底就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的開(kāi)展而確立的。?晶閘管是經(jīng)過(guò)對(duì)門(mén)極的控制可以使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依托電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的運(yùn)用遭到了很大的局限。1.2電力電子技術(shù)的開(kāi)展史◆全控型器件和電力電子集成電路〔PIC〕?70年代后期，以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管〔GTO〕、電力雙極型晶體管〔BJT〕和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管〔Power-MOSFET〕為代表的全控型器件迅速開(kāi)展。全控型器件的特點(diǎn)是，經(jīng)過(guò)對(duì)門(mén)極〔基極、柵極〕的控制既可使其開(kāi)通又可使其關(guān)斷。?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〔PWM〕方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱(chēng)之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)斬控方式。?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管〔IGBT〕為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)，MOS控制晶閘管〔MCT〕和集成門(mén)極換流晶閘管〔IGCT〕復(fù)合了MOSFET和GTO。1.2電力電子技術(shù)的開(kāi)展史?把驅(qū)動(dòng)、控制、維護(hù)電路和電力電子器件集成在一同，構(gòu)成電力電子集成電路〔PIC〕，這代表了電力電子技術(shù)開(kāi)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷提高，電力電子電路的任務(wù)頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的運(yùn)用在實(shí)際上可以使電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子安裝的功率密度。

1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用■電力電子技術(shù)的運(yùn)用范圍非常廣泛。它不僅用于普通工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通訊系統(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)域中也有著廣泛的運(yùn)用。◆普通工業(yè)?工業(yè)中大量運(yùn)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子安裝進(jìn)展調(diào)速的。?一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻安裝，以到達(dá)節(jié)能的目的。

1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了防止起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)安裝，這種軟起動(dòng)安裝也是電力電子安裝。?電化學(xué)工業(yè)大量運(yùn)用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需求大容量整流電源。電鍍安裝也需求整流電源。?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場(chǎng)所。1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用◆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(chē)中的直流機(jī)車(chē)中采用整流安裝，交流機(jī)車(chē)采用變頻安裝。直流斬波器也廣泛用于鐵道車(chē)輛。在未來(lái)的磁懸浮列車(chē)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(chē)輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)依托電力電子安裝進(jìn)展電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子安裝。一臺(tái)高級(jí)汽車(chē)中需求許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用◆電力系統(tǒng)?據(jù)估計(jì)，興隆國(guó)家在用戶(hù)最終運(yùn)用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流安裝的處置。?直流輸電在長(zhǎng)間隔、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流安裝，而輕型直流輸電那么主要采用全控型的IGBT器件。近年開(kāi)展起來(lái)的柔性交流輸電〔FACTS〕也是依托電力電子安裝才得以實(shí)現(xiàn)的。?晶閘管控制電抗器〔TCR〕、晶閘管投切電容器〔TSC〕、靜止無(wú)功發(fā)生器〔SVG〕、有源電力濾波器〔APF〕等電力電子安裝大量用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子安裝還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)展電能質(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求電力電子安裝。1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用圖1-5中國(guó)南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無(wú)功發(fā)生器〔上〕和晶閘管投切電容器〔下〕1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用◆電子安裝用電源?各種電子安裝普通都需求不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通訊設(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，如今已改為采用全控型器件的高頻開(kāi)關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的任務(wù)電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源如今也都采用高頻開(kāi)關(guān)電源。?在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)所，經(jīng)常需求不延續(xù)電源〔UninterruptiblePowerSupply__UPS〕供電，不延續(xù)電源實(shí)踐就是典型的電力電子安裝。1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用◆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，正在逐漸取代傳統(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)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也運(yùn)用了電力電子技術(shù)?！羝渌?航天飛行器中的各種電子儀器需求電源，載人航天器也離不開(kāi)各種電源，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)需求用電力電子技術(shù)來(lái)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需求強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的運(yùn)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，其地位也越來(lái)越重要。

?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，需求用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需求和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?核聚變反響堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需求大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子安裝。科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)所，經(jīng)常需求一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。圖1-7風(fēng)場(chǎng)1.4本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介■本教材的內(nèi)容1.電力變換的類(lèi)型2.交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理1.5開(kāi)關(guān)型電力電子變換的根本原理及控制方法1.電力變換的類(lèi)型電源可分為兩類(lèi)：直流電〔D.C〕，頻率f=0交流電〔A.C〕，頻率f0電力變換按電壓(電流)的大小、波形及頻率變換劃分為四類(lèi)根本變換及相應(yīng)的四種電力變換電路或電力變換器。這四類(lèi)根本變換可以組合成許多復(fù)合型電力變換器2.交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟?？根本原理缺?.交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換(續(xù)1)傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將一種頻率的交流電變?yōu)榱硪环N頻率的交流電？根本原理缺陷3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理如何用電力電子開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？根本原理圖中的開(kāi)關(guān)設(shè)為理想開(kāi)關(guān)vo=S×viS為開(kāi)關(guān)函數(shù)3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)1)如何用電力電子開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？DC/DC直流降壓電路3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)2)方案一:電阻降壓3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)3)方案二:串聯(lián)晶體管3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)4)方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)5)方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)6)方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗串聯(lián)LC,濾出諧波,濾波器的截止頻率<<開(kāi)關(guān)頻率3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)7)BUCK電路方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗添加控制回路3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)8)任務(wù)方式相控、斬波分析方法傅立葉分解、積分思索問(wèn)題開(kāi)關(guān)時(shí)辰、濾波AC/DC根本整流電路3.利用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的根本原理(續(xù)9)任務(wù)方式方波、PWM波分析方法傅立葉分解思索問(wèn)題開(kāi)關(guān)時(shí)辰、濾波