電力電子技術(shù)第1章 緒論課件

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(yīng)用11.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子技術(shù)的概念◆可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)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)。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換，這是二者本質(zhì)上的不同。

21.1什么是電力電子技術(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)。

?通常所用的電力有交流（AC）和直流（DC）兩種。從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池和干電池得到的電力是直流。從這些電源得到的電力往往不能直接滿足要求，需要進行變換，變換的種類如表1-1所示。

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31.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子學(xué)◆美國學(xué)者W.Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形51.1什么是電力電子技術(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)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也相同，二者同根同源。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，只是二者應(yīng)用目的不同。前者用于電力變換和控制，后者用于信息處理。6在信息電子電路中，半導(dǎo)體器件既可處于放大狀態(tài)，也可處于開關(guān)狀態(tài)；而在電力電子技術(shù)中，為避免功率損耗過大，電力電子器件總是工作在開關(guān)狀態(tài)，這成為電力電子技術(shù)區(qū)別于信息電子技術(shù)的一個重要特征。7各種電力電子裝置廣泛應(yīng)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，通常都把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的分支。電力電子技術(shù)的不斷進步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動力，是電氣工程這一相對古老學(xué)科保持活力的重要源泉。9在我國的學(xué)科分類中，電氣工程是一個一級學(xué)科，它包含了五個二級學(xué)科即電力系統(tǒng)及其自動化、電機與電器、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動、電工理論與新技術(shù)。其中電力電子與電力傳動是由電力電子技術(shù)與電力傳動自動化兩個二級學(xué)科合并而成。10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(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級學(xué)科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。圖1-2電氣工程的雙三角形描述11電氣工程的發(fā)展越來越依賴于電子信息技術(shù)的進步，電氣工程與電子信息工程二者是你中有我，我中有你，相互融合，這已成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢。13電能是能源的一種，而且是使用、輸送和控制最為方便的能源，也是人類研究較為充分的一種能源。在可以預(yù)見的將來，還沒有一種能源有可能代替電能。而人類在任何時候都不可能離開能源，能源為人類提供動力，是人類永恒的研究對象。因此，人類如果關(guān)注能源，就必須關(guān)注電能，也就必須關(guān)注電氣工程。14圖1-2的小三角形中，電氣工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)由電工理論、電工制造及電力系統(tǒng)三部分有機組成。15電工制造包括發(fā)電機、電動機、變壓器等電機設(shè)備的制造，也包括開關(guān)、用電設(shè)備等電器設(shè)備的制造，還包括電力電子設(shè)備的制造、各種電氣控制裝置的制造以及電工材料、電氣絕緣等內(nèi)容。電氣裝備的應(yīng)用則是指上述設(shè)備和裝置的應(yīng)用。17電力系統(tǒng)的運行主要包括電力網(wǎng)的運行和控制、電氣自動化以及各種電氣裝備和系統(tǒng)的運行等方面。顯然，制造和運行是不可能截然分開的，電氣設(shè)備在制造時必須考慮其運行，而電力系統(tǒng)是由各種電氣設(shè)備組成的，系統(tǒng)的良好運行當(dāng)然依靠良好的設(shè)備。18在電氣工程的五個二級學(xué)科中，電力電子技術(shù)處于十分特殊的地位。電力電子技術(shù)和其它幾個二級學(xué)科的關(guān)系都十分密切，甚至可以說，其它幾個二級學(xué)科的發(fā)展都依賴于電力電子技術(shù)的發(fā)展。正是由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，才使電氣功程保持著強大的活力。19有人預(yù)言，電力電子技術(shù)和運動控制一起，將和計算機技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。電力電子技術(shù)在21世紀(jì)中將會起著十分重要的作用，有著十分光明的未來。211.2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(rèn)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(biāo)志的。221.2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(yīng)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。

23?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(yīng)用。在這一時期，也應(yīng)用電動機-直流發(fā)電機組來變流。?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(yīng)用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當(dāng)長一段時間內(nèi)，所使用的電路形式仍然是這些形式。2526一個密封的鐵罐下邊底部盛著水銀，就是陰極，上邊頂部裝有陽極，在陽極和陰極之間（接近水銀）有柵極，也叫引弧極，陽極和柵極都經(jīng)玻璃絕緣子引出。它的工作情況和可控硅非常相似，也是在陽極加有正電壓時，由柵極觸發(fā)，觸發(fā)后，柵極至陰極形成一小電弧，小電弧在陰極面形成弧斑，弧斑具有極強的發(fā)射電子的能力，促使陽極至陰極導(dǎo)通，電流過零時熄滅，不過它的柵極觸發(fā)可不像可控硅那樣省電，它的觸發(fā)功率有上百瓦，電壓也要200~300伏。27

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？291.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史?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。

301.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管時代1956年美國貝爾實驗室發(fā)明晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。31

?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(yīng)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(dǎo)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(yīng)用受到了很大的局限。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(yīng)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。此外，這些器件的開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可用于開關(guān)頻率較高的電路。

331.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史?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。PWM控制技術(shù)在電力電子變流技術(shù)中占有十分重要的位置，它在逆變、直流斬波、整流、交流-交流控制等所有電力電子電路中均可應(yīng)用。它使電路的控制性能大為改善，使以前難以實現(xiàn)的功能也得以實現(xiàn)，對電力電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。

341.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史

?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。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。351.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史?最近十多年電力電子器件研制和應(yīng)用中的一個共同趨勢是模塊化，常常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。模塊化可以縮小電力電子變換裝置的體積，降低成本，提高可靠性，便于電力電子變換器的設(shè)計和研制。更重要的是，由于各開關(guān)器件之間的連線緊湊，減小了線路電感，在高頻工作時可以簡化對緩沖電路和保護電路的要求。

36達林頓三極管功率模塊37MOSFET功率模塊38AC-DC-AC變頻功率模塊39?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)。401.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史?目前電力電子集成電路的功率都還較小，電壓也較低，它面臨著電壓隔離（主電路為高壓，而控制電路為低壓）、熱隔離（主電路流過大電流發(fā)熱嚴(yán)重）、電磁干擾（開關(guān)器件通斷高壓大電流，它和控制電路處于同一芯片）等幾大難題。

?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。同時，電力電子器件的開關(guān)損耗也隨之增大，為了減小開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)便應(yīng)運而生軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)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。

411.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)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(fēng)機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。

圖1-4變頻器■電力電子技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用。421.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用?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(xué)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(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。431.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆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)。44電機傳動45NASA風(fēng)洞風(fēng)洞試驗設(shè)備是一個國家航空航天事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，對國家的航空航天事業(yè)、武器裝備研制以及國民經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮著非常重要的作用。NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)：美國國家航空航天管理局46富士高速機車471.3電力電子技術(shù)的應(yīng)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）、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。

481.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用中國南方電網(wǎng)公司安順換流站靜止無功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）49未來電力系統(tǒng)501.3電力電子技術(shù)的應(yīng)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