電力電子技術(shù) 王兆安第一章

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電 力 電 子 技 術(shù) Power Electronic Technology 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 第二章第二章 電力電子器件電力電子器件 第三章第三章 整流電路整流電路 第四章第四章 逆變電路逆變電路 第五章第五章 直流直流-直流變流電路直流變流電路 第六章第六章 交流交流-交流變流電路交流變流電路 第七章第七章 PWM控制技術(shù)控制技術(shù) 第八章第八章 軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù) 第九章第九章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題電力電子器件應(yīng)用的共性問題 第一章第一章 緒論緒論 第十章第十章 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)電力電子技術(shù) 第一章第一章 緒緒

2、論論 1.1.1 1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 1.2 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 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 1.4 1.4 本課程的內(nèi)容介紹本課程的內(nèi)容介紹 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 數(shù)字電子數(shù)字電子 技術(shù)技術(shù) 模擬電子模擬電子 技術(shù)技術(shù) 電力電子電力電子 技術(shù)技術(shù) 信息電子信息電子 技術(shù)技術(shù) 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 1.1.1 1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 1.11.1.1.1 電壓、電電壓、電 流、頻率流、頻率 、功率、功率 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 直流直流 電力電力

3、 交流交流 交流變交流交流變交流直流變直流直流變直流直流變交流（逆變）直流變交流（逆變）交流變直流（整流）交流變直流（整流） 電力變換電力變換 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 表 1-1 電力變換的種類 交流交流 輸入輸入 輸出輸出 直流直流 直流直流 交流交流 整流整流直流斬波直流斬波 交流電力控制交流電力控制 變頻、變相變頻、變相 逆變逆變 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電力電子器件電力電子器件 制造技術(shù)制造技術(shù) 變流技術(shù)變流技術(shù) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 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 信息電子電路器件信息電子電路器件 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀

4、態(tài)放大狀態(tài)放大狀態(tài) 開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài) 電力電子電路器件電力電子電路器件 1.1.3 1.1.3 與其他學(xué)科的關(guān)系與其他學(xué)科的關(guān)系 與電子學(xué)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(jī)、計(jì)算機(jī)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)電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程 與電力學(xué)的關(guān)系與電力學(xué)的關(guān)系 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 高高 壓壓 直直 流流 輸輸 電電 靜靜 止止 無無 功功 補(bǔ)補(bǔ) 償償 交交 直直 流流 電電 力力 傳傳 動(dòng)動(dòng) 電電 解解 電電

5、 鍍鍍 電電 加加 熱熱 電電 力力 機(jī)機(jī) 車車 牽牽 引引 電氣工程電氣工程 分支分支 高性能交直流電源高性能交直流電源 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 與控制理論的關(guān)系與控制理論的關(guān)系 控制理論控制理論 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 弱電和強(qiáng)電接口弱電和強(qiáng)電接口 弱電控制強(qiáng)電弱電控制強(qiáng)電 基礎(chǔ)基礎(chǔ) 元件元件 支撐支撐 技術(shù)技術(shù) 實(shí)實(shí) 現(xiàn)現(xiàn) 廣泛用于廣泛用于 電力電子裝置是電力電子裝置是 自動(dòng)化技術(shù)的自動(dòng)化技術(shù)的 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 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

6、術(shù)兩大支柱未來科學(xué)技術(shù)兩大支柱 控制技術(shù)控制技術(shù)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 史前期史前期 1904-19571904-1957 1904 1904 電子管誕生電子管誕生 1970 1970 全控型器件迅速發(fā)展全控型器件迅速發(fā)展 晶閘管時(shí)代晶閘管時(shí)代 1 1957-1970957-1970 1957 1957 晶閘管問世晶閘管問世 1930 1930 -19471947 水銀整流器時(shí)代水銀整流器時(shí)代 1947 1947 晶體管出現(xiàn)晶體管出現(xiàn) 2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代后期，年代后期，以以IGBTIGBT為代表的復(fù)合型器件突起，為代表的復(fù)合型器件突起，隨著隨

7、著 全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的 電力電子裝置也應(yīng)運(yùn)而生。把若干個(gè)電力電子器件及必要的電力電子裝置也應(yīng)運(yùn)而生。把若干個(gè)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。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 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 模塊化、集成化。器件及其輔助電路，模塊化、集成化。器件及其輔助電路，PIC，PWM. 1957年美國(guó)通年美國(guó)通 用電氣公司用電氣公司 快速晶閘管、逆導(dǎo)快速晶閘管、逆導(dǎo) 晶閘管、雙向晶閘晶閘管、雙向晶閘 管管 電力晶體管（電力

8、晶體管（GTRGTR）、）、可關(guān)可關(guān) 斷晶閘管（斷晶閘管（GTOGTO）、）、功率場(chǎng)功率場(chǎng) 效應(yīng)晶體管（效應(yīng)晶體管（MOSFETMOSFET）等等 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 圖圖1-3 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 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 1.31.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 （1 1）一般工業(yè)）一般工業(yè) 直流電動(dòng)機(jī)有良好的調(diào)速性能，給其供電的直流電動(dòng)機(jī)有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源可控整流電源或或直流斬直流斬 波電源波電源都是電力電子裝置都是電力電子裝置 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī) 可控整流電源可控整流電源 近年來電力電子近年來電力電子變頻技術(shù)變頻技術(shù)的

9、迅速發(fā)展，使的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)交流電機(jī)的調(diào)速性能可與的調(diào)速性能可與 直流電機(jī)媲美，直流電機(jī)媲美，交流調(diào)速技術(shù)交流調(diào)速技術(shù)大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。幾百大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。幾百W W到數(shù)千到數(shù)千 kWkW的變頻調(diào)速裝置，軟起動(dòng)裝置等的變頻調(diào)速裝置，軟起動(dòng)裝置等 交流電機(jī)交流電機(jī) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電化學(xué)工業(yè)中整流變壓器電化學(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化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解電解 鋁、電解食鹽水等都用到。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)中電力電子技

10、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源及直流電弧爐電源等需要大容量整 流電源的場(chǎng)合。電鍍裝置也需要整流流電源的場(chǎng)合。電鍍裝置也需要整流 電源電源 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) (2) 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)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置變頻裝置 （Frequency Inverter）。）。直流斬波器直流斬波器（DC Chopper）也廣泛用于鐵也廣泛用于鐵 道車輛。在磁懸浮列車

11、中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引道車輛。在磁懸浮列車中，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，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù) 磁懸浮列車磁懸浮列車 電動(dòng)汽車的電機(jī)靠電力電子裝置進(jìn)行電動(dòng)汽車的電機(jī)靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換電力變換（Power Conversion） 和驅(qū)動(dòng)，控制其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽和驅(qū)動(dòng)，控制其蓄電池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)，它們也要靠車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器變頻器（Frequency Inverter） 和和斬波器斬

12、波器（Chopper）驅(qū)動(dòng)并控制驅(qū)動(dòng)并控制 飛機(jī)、船舶需要很多不同要求的電源，飛機(jī)、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)因此航空和航海都離不開電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 如果把電梯也算做交通運(yùn)輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電如果把電梯也算做交通運(yùn)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)，而近年來梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，而近年來交流變頻調(diào)速交流變頻調(diào)速（AC Speed Control by Frequency Variation）已成為主流已成為主流 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 部分國(guó)內(nèi)外知名公司的變頻

13、器部分國(guó)內(nèi)外知名公司的變頻器 西門子（西門子（Siemens）公司公司 施奈德公司施奈德公司 富士公司富士公司 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 安圣（華為電氣）變頻器系列安圣（華為電氣）變頻器系列 ABB公司公司 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) (3) 電力系統(tǒng)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(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家 在用戶最終使用的電能中有在用戶最終使用的電能中有60%60%以上至少經(jīng)過一次電力電子變流裝置以上至少經(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(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，

14、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。不可想象的。 直流輸電直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電 時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整時(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)展起來的閘管變流裝置。近年發(fā)展起來的 柔性交流輸電柔性交流輸電也是依靠電力電子也是依靠電力電子 裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 柔性交流輸電系統(tǒng)（柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的英文表達(dá)為：的英文表達(dá)為： Flexible AC Tr

15、ansmission Systems: :應(yīng)用大功率、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(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系統(tǒng)的電壓、阻及電網(wǎng)的一次設(shè)備等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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。力大大提高。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 晶閘管變流

16、裝置晶閘管變流裝置無功補(bǔ)償裝置無功補(bǔ)償裝置 無功補(bǔ)償和諧波抑制無功補(bǔ)償和諧波抑制對(duì)電力系統(tǒng)有重要的意義。對(duì)電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器晶閘管控制電抗器、晶晶 閘管投切電容器閘管投切電容器都是重要的無功補(bǔ)償裝置。近年來出現(xiàn)的都是重要的無功補(bǔ)償裝置。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生靜止無功發(fā)生 器器、有源電力濾波器有源電力濾波器等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功功率和諧無功功率和諧 波補(bǔ)償波補(bǔ)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(shí)停的性能。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)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)

17、量電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)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都需要電力電子裝置 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 濾波電抗器濾波電抗器 有源電源濾波器示意圖有源電源濾波器示意圖 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) （4 4）電子裝置用電源）電子裝置用電源 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(jí)的各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源直流電源供供 電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用

18、 晶閘管整流電源晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻高頻 開關(guān)電源開關(guān)電源 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) (5) 家用電器家用電器 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、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，通常被稱為發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈節(jié)能燈”，正逐步取代傳，正逐步取代傳 統(tǒng)的白熾燈和日光燈統(tǒng)的白熾燈和日光燈 無極燈無極燈無燈絲和電極所以壽命長(zhǎng)無燈絲和電極所以壽命長(zhǎng). .一般一般4-64-6萬小時(shí)萬小時(shí) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 鈉鈉 燈燈 金屬鈉作為發(fā)光物

19、質(zhì)金屬鈉作為發(fā)光物質(zhì), ,顯色性不顯色性不 高只有黃色光高只有黃色光, ,用于公路隧道和用于公路隧道和 碼頭照明碼頭照明. .效率高效率高. . 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 變頻空調(diào)控制器變頻空調(diào)控制器 變頻空調(diào)器變頻空調(diào)器（Frequency Conversion AirFrequency Conversion AirConditionCondition）是家是家 用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機(jī)、音響設(shè)用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機(jī)、音響設(shè) 備、家用計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的電源部分也都需要電力電子技術(shù)。備、家用計(jì)算機(jī)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

20、些洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子此外，有些洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子 技術(shù)。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。貼近。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) (6) 其他其他 不間斷電源不間斷電源（Uninterruptable Power SystemUPS）在現(xiàn)代在現(xiàn)代 社會(huì)中的作用越來越重要，用量也越來越大。目前，社會(huì)中的作用越來越重要，用量也越來越大。目前，UPSUPS在在 電力電子產(chǎn)品中已占有相當(dāng)大的份額。電力電子產(chǎn)品中已占有相當(dāng)大的份額。 航天飛行器航天飛行器（Space F

21、light Aerocraft） 中的各種電子儀中的各種電子儀 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)不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù) 不間斷電源不間斷電源 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 傳統(tǒng)的發(fā)電方式是傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電火力發(fā)電、水力發(fā)電水力發(fā)電以及后來興起的核能發(fā)電。以及后來興起的核能發(fā)電。 能源危機(jī)后，各種能源危機(jī)后，各種新能源新能源、可再生能源可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受及新型發(fā)電方式越來越受 到重視。其中到重視。其中太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快，的發(fā)展較快，燃料電池燃料電池更是更是 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)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(chǔ)能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要電量較差，常需要儲(chǔ)能裝