電力電子技術(shù)課件第1章緒論

1電力電子技術(shù)

緒論1.什么是電力電子技術(shù)2.電力電子技術(shù)的發(fā)展史3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用4.教材內(nèi)容簡(jiǎn)介和學(xué)習(xí)21.什么是電力電子技術(shù)1.1

電力電子與信息電子1.2電力電子技術(shù)主要內(nèi)容1.3與其他學(xué)科的關(guān)系1.4地位和未來31.1電力電子與信息電子4模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)信息電子技術(shù)——信息處理

信號(hào)的產(chǎn)生、變換、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和接收問題電力電子技術(shù)——電力變換

電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級(jí)。電能變換目的—節(jié)約能源，提高電能利用率和適應(yīng)力節(jié)能和提高適應(yīng)力——直流變直流節(jié)能和提高適應(yīng)力——交流變交流單相變壓器+–+–Z一次繞組N1二次繞組N2鐵心1.2電力電子技術(shù)主要內(nèi)容8電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路（拓?fù)溲芯浚┖蛯?duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)的核心理論基礎(chǔ)是電路理論1.2.1電力電子器件制造技術(shù)1.2.1電力電子器件制造技術(shù)2用于電路設(shè)計(jì)的器件111.2.2變流技術(shù)-拓?fù)溲芯侩娏Α涣骱椭绷鲀煞N(方向是否改變)從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流電力變換四大類

交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流

輸出輸入直流交流交流整流交流電力控制變頻、變相直流直流斬波逆變表1

電力變換的種類進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱為:變流技術(shù)電力變換種類1.2.2變流技術(shù)-控制方法161.3與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系電力電子學(xué)

(PowerElectronics)名稱60年代出現(xiàn)；1974年，美國(guó)的W.Newell用圖1的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受；“電力電子學(xué)”和“電力電子技術(shù)”分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)的角度來稱呼，實(shí)際內(nèi)容沒有很大不同電力電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)控制理論連續(xù)、離散

電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)圖1描述電力電子學(xué)的倒三角形17

與電子學(xué)的關(guān)系都分為器件和應(yīng)用兩大分支器件

電子器件對(duì)應(yīng)電力電子器件電子電路電力電子電路電力電子器件制造技術(shù)和電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一樣的，大多數(shù)工藝也相同現(xiàn)代電力電子器件制造大都使用集成電路制造工藝，采用微電子制造技術(shù)，許多設(shè)備都和微電子器件制造設(shè)備通用，說明二者同根同源18

與電子學(xué)的關(guān)系

電力電子電路和電子電路許多分析方法一致，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器件的工作狀態(tài)信息電子，既可工作于放大狀態(tài)，也可工作于開關(guān)狀態(tài)電力電子，為避免功率損耗過大，總是工作于開關(guān)狀態(tài)

——電力電子技術(shù)的一個(gè)重要特征

與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)系20與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)系主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中

高壓直流輸電靜止無功補(bǔ)償電力機(jī)車牽引交直流電力傳動(dòng)電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源國(guó)內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸屬為電氣工程學(xué)科電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支,其不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動(dòng)力21與控制理論（自動(dòng)化技術(shù)）的關(guān)系

控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中,使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能滿足各種需求電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強(qiáng)電”的技術(shù)，是“弱電和強(qiáng)電的接口”，控制理論是實(shí)現(xiàn)該接口的強(qiáng)有力紐帶控制理論和自動(dòng)化技術(shù)密不可分，而電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2鎖閉電路241.4地位和未來電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱計(jì)算機(jī)

人腦電力電子技術(shù)消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運(yùn)動(dòng)控制肌肉和四肢電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù)，是把“粗電”變?yōu)椤熬姟钡募夹g(shù)。20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展25

電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。

1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生

2.電力電子技術(shù)的發(fā)展史26電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管問世，(公元元年)

IGBT出現(xiàn)功率集成器件晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生智能功率模塊古董電子管水銀整流管世界第一個(gè)晶體管晶閘管IGBT模塊風(fēng)力發(fā)電專用智能模塊28晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期，用于電力變換的電子技術(shù)已經(jīng)存在1904年出現(xiàn)了電子管，能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開了電子技術(shù)之先河后來出現(xiàn)了水銀整流器，其性能和晶閘管很相似。在30年代到50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并大量應(yīng)用的時(shí)期。它廣泛用于電化學(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)一段時(shí)期內(nèi)，所使用的電路形式仍然是這些形式電力電子技術(shù)的史前期或黎明期29交流電變?yōu)橹绷麟姷姆椒ǔy整流器外，還有發(fā)展更早的電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)組，即變流機(jī)組。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相對(duì)應(yīng)，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始并沿用至今1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管電力電子技術(shù)的史前期或黎明期30晶閘管誕生晶閘管因電氣性能和控制性能優(yōu)越，很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、鋼鐵工業(yè)（軋鋼用電氣傳動(dòng)、感應(yīng)加熱等）、電力工業(yè)（直流輸電、無功補(bǔ)償?shù)龋┑难杆侔l(fā)展也有力地推動(dòng)了晶閘管的進(jìn)步。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(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，因而屬于半控型器件對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)

晶閘管（1957年開始）31全控型器件70年代后期開始發(fā)展全控型器件全控型器件主要是功率晶體管GTR，功率場(chǎng)效應(yīng)管Power-MOSFET，門極可關(guān)斷晶閘管GTO全控型器件特點(diǎn)是：通過對(duì)門極的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷開關(guān)速度高全控型器件電路的控制方式主要為脈寬調(diào)制（PWM）控制方式32復(fù)合型器件和功率集成電路80年代后期開始

復(fù)合型器件：以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表IGBT是MOSFET和GTR的復(fù)合它集MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和GTR通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件與IGBT相對(duì)應(yīng)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。33模塊：為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小，常常把若干個(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功率集成電路：把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（IPC）。目前其功率都還較小，但代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向復(fù)合型器件和功率集成電路34AC-DC-AC變頻功率模塊集成IGBT的IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖363.電力電子技術(shù)的應(yīng)用一般工業(yè)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)交通運(yùn)輸：電氣機(jī)車、電動(dòng)汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償電子裝置電源：通信、計(jì)算機(jī)、手機(jī)家用電器：照明、加熱、空調(diào)其他：不間斷電源、太陽能、風(fēng)力發(fā)電一般工業(yè)39一般工業(yè)

直流電動(dòng)機(jī)有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置

近年來電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)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(dòng)裝置等電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等;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)合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)的應(yīng)用交通運(yùn)輸41電力電子技術(shù)的應(yīng)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。直流斬波器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(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)43電力電子技術(shù)的應(yīng)用電動(dòng)汽車的電機(jī)靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(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)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制飛機(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)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)，而近年來交流變頻調(diào)速已成為主流

電力系統(tǒng)一種在大量交互式數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的精細(xì)化管理、智能化管理的電網(wǎng)，這就是智能電網(wǎng)的基本特征。智能電網(wǎng)貫穿發(fā)電、輸變電、配電、用電全過程，通過智能電網(wǎng)的建設(shè)，電力系統(tǒng)各領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。節(jié)能減排、整體提高電網(wǎng)效率發(fā)電輸變電配電用電智能電網(wǎng)新能源的利用

RenewablesoureceOfenergy“SmartGrid”“智能電網(wǎng)"低延遲IP通信先進(jìn)傳感System-wideIntegrationofDevices

系統(tǒng)范圍儀器組合EnterpriseAnalysisAdvancedSensingLowLatencyIPCommunications企業(yè)分析智能電網(wǎng)Diagnostic&PredictiveAnalytics

診斷和預(yù)測(cè)性分析RobustNetworkManagement

可靠的網(wǎng)絡(luò)管理融合與逐步替代目的：優(yōu)質(zhì)、高效、服務(wù)導(dǎo)向和環(huán)保的綠色電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)：豐富有效傳感測(cè)量+可靠通信+智能診斷+綜合優(yōu)化新能源利用的關(guān)鍵問題

儲(chǔ)能蓄能技術(shù)把電能作為主要的能源終端消費(fèi)模式微網(wǎng)技術(shù)分布式發(fā)電新能源發(fā)電能源使用效率的問題

線損管理智能化節(jié)能調(diào)度特高壓輸電能源使用效率問題主要就是電網(wǎng)的效率問題。這些手段綜合在一起，就構(gòu)成了新型電網(wǎng)的主要技術(shù)特性。負(fù)荷管理49電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力系統(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(jìn)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(zhǎng)距離、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裝置。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(shí)現(xiàn)的50電力電子技術(shù)的應(yīng)用無功補(bǔ)償和諧波抑制對(duì)電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）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)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）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(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，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置超導(dǎo)儲(chǔ)能和超導(dǎo)限流器電子裝置電源53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(jí)的直流電源供電。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(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。家用電器55電力電子技術(shù)的應(yīng)用家用電器

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)的白熾燈和日光燈變頻空調(diào)器是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機(jī)、音響設(shè)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)。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。節(jié)能燈問題普通節(jié)能燈日光燈白熾燈LED節(jié)能燈LED燈：價(jià)格偏高其他新能源徐州協(xié)鑫20MW光伏電站光伏電站風(fēng)能路燈巴林風(fēng)能大廈60電力電子技術(shù)的應(yīng)用其他

不間斷電源（UPS）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，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)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(jī)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(chǔ)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(shí)，也離不開電力電子技術(shù)。

61電力電子技術(shù)的應(yīng)用其他

為了合理地利用水力發(fā)電資源，近年來抽水儲(chǔ)能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)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(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，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(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)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。62電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。63電力電子技術(shù)的應(yīng)用

總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。從人類對(duì)宇宙和大自然的探索，到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。這也激發(fā)了一代又一代的學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。644.教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介和學(xué)習(xí)

4.1教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介

4.2教材的使用說明

4.3參考資料

4.4課程成績(jī)分配

4.5課程學(xué)習(xí)要求

4.6網(wǎng)絡(luò)資源654.1

教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介教材的內(nèi)容可分為四大部分第一部分：電路分析及電力半導(dǎo)體器件

（第2、9章-----全書的基礎(chǔ))第二部分：各種電力電子電路

（第3~6章-----全書的主體)第三部分：PWM、軟開關(guān)技術(shù)（第7、8章-----擴(kuò)展）第四部分：電力電子裝置的應(yīng)用（第10章）■本教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖674.2教材的使用說明每章的最后有習(xí)題，對(duì)全章的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的應(yīng)用課時(shí)分配：總學(xué)時(shí):48

課內(nèi)教學(xué)學(xué)時(shí)為42學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)。和其他課程的關(guān)系：電路電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)684.3參考資料1.王兆安，黃俊

《電力電子技術(shù)》第5版