第1章修改緒論

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)的發(fā)展史

1.3電力電子技術(shù)的應用

1.4本教材的內(nèi)容簡介2/321.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子技術(shù)的概念◆可以認為，所謂電力電子技術(shù)就是應用于電力領(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”，前者則更一般些。

?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)。

3/321.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。

?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。

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4/321.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子學◆美國學者W.Newell認為電力電子學是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。圖1-1描述電力電子學的倒三角形5/321.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電子學

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)（都是基于半導體理論）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也是一致的。?電力電子技術(shù)和電力學電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學和電力學的主要關(guān)系。

6/321.1什么是電力電子技術(shù)

各種電力電子裝置廣泛應用于高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電圖1-2電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學科。在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學科。圖1-2用兩個三角形對電氣工程進行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學科和其他學科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級學科內(nèi)各二級學科的關(guān)系。

7/321.1什么是電力電子技術(shù)?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帶。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術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

8/321.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史■電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖1-3電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆一般認為，電力電子技術(shù)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。9/321.2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)的史前期或黎明期。

?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。

?20世紀30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學工業(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、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應用。在這一時期，也應用直流發(fā)電機組來變流。

?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(shù)的一場革命。

10/321.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管時代

?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)變流機組，并且其應用范圍也迅速擴大。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)展而確立的。?晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。11/321.2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（PIC）?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(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。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。

?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復合了MOSFET和GTO。12/321.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史?把驅(qū)動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），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進步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

13/321.3電力電子技術(shù)的應用■電力電子技術(shù)的應用范圍十分廣泛。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用。

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調(diào)速的。?一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。

14/321.3電力電子技術(shù)的應用圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機為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電力電子裝置。?電化學工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。?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加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。軋鋼機數(shù)控機床冶金工業(yè)電解鋁1.3電力電子技術(shù)的應用15/3216/32◆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。直流斬波器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，車輛中的各種輔助電源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行電力變換和驅(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，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。

?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)的應用1.3電力電子技術(shù)的應用17/3218/321.3電力電子技術(shù)的應用◆電力系統(tǒng)?據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%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。

?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，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）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（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。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。

19/321.3電力電子技術(shù)的應用圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器三峽電站20/321.3電力電子技術(shù)的應用◆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。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)在也都采用高頻開關(guān)電源。

?在大型計算機等場合，常常需要不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。程控交換機電子裝置微型計算機1.3電力電子技術(shù)的應用21/3222/321.3電力電子技術(shù)的應用◆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，不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術(shù)?！羝渌?/p>

?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。?抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術(shù)來起動和調(diào)速。超導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)。1.3電力電子技術(shù)的應用23/32◆科學、軍事及其他大型計算機的UPS航天技術(shù)1.3電力電子技術(shù)的應用24/32歐洲強子對撞機25/321.3電力電子技術(shù)的應用電能武器現(xiàn)有的絕大多數(shù)武器都是利用火藥產(chǎn)生的化學能推動射彈前進，但隨著武器體積、重量的增加，射程的增大，機動性能受到嚴重影響。增大射程的重要措施之一是提高初速，目前，榴彈炮的初速不足900米/秒,最先進的坦克炮初速2千米/秒，已接近極限。用電能代替化學能制成電能武器，將帶來兵器發(fā)展史上一場大革命。電能武器的初速大，動能高，射程遠，反應快，耗費小，有良好的隱蔽性。它擺脫了傳統(tǒng)火炮的設(shè)計，在推進原理、武器結(jié)構(gòu)、彈藥設(shè)計等方面有重大創(chuàng)新。利用平行導軌制成導軌炮，電流產(chǎn)生強電磁場推動彈丸高速前進，飛行速度可達6-8千米/秒。用同軸線圈制成的電磁線圈炮，由于炮彈和炮管間沒有摩擦作用，可把重型炮彈推送到遠距離目標區(qū)，還可將普通火炮改造成電熱化學炮，在等離子體作用下產(chǎn)生化學能量發(fā)射彈炮。電磁炮射擊時不用藥筒、發(fā)射藥，可顯著減輕彈藥供應負擔，提高作戰(zhàn)效率。發(fā)射殺傷爆破榴彈、超速動能彈、精確制導炮彈，可攻擊各種地面目標和空中目標。26/321.3電力電子技術(shù)的應用電磁炮27/321.3電力電子技術(shù)的應用電磁脈沖武器可由核爆炸或特殊的波束發(fā)生器產(chǎn)生極強的電磁脈沖，它的作用時間極短，電場強度高達數(shù)十千伏，以光速向爆心周圍傳播，頻率可覆蓋從極低頻到特高頻的廣闊范圍，可對通信線路、電子設(shè)備、計算機系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，破壞作用，高功率微波武器峰值功率高達G瓦的電磁波，可破壞武器系統(tǒng)的電子線路、計算機控制系統(tǒng)。海灣戰(zhàn)爭中美軍曾用“戰(zhàn)斧”巡航導彈試驗，在戰(zhàn)斗部內(nèi)安裝微波發(fā)生器，干擾、破壞伊軍C3I（軍隊指揮自動化系統(tǒng)）系統(tǒng)?？臻g戰(zhàn)武器未來空間戰(zhàn)武器將用激光、紅外對敵航天飛行器進行光電對抗，干擾其偵察衛(wèi)星、警戒衛(wèi)星的正常工作，也可用強激光或粒子束武器直接摧毀目標。美國計劃2008年發(fā)射第一顆載有激光武器的作戰(zhàn)衛(wèi)星，攔擊4500千米外的洲際導彈或人造衛(wèi)星，以后將部署20顆激光反導衛(wèi)星。超速動能武器用電磁或火箭助推技術(shù)將彈丸加速到極高速度直接摧毀目標。從地面發(fā)射的“天雷”可在軌道上與目標衛(wèi)星一起運行，最后擊毀目標。美國還在研究可像普通飛機一樣起落的航空航天兩用飛機。它能在幾小時內(nèi)到達任何空域?qū)δ繕税l(fā)起突然襲擊。28/321.3電力電子技術(shù)的應用電磁驅(qū)動可控震源ATEM-II時間域電磁法探測系統(tǒng)29/3