第1章電力電子技術(shù)概論

主講:廖冬初電力電子技術(shù)PowerElectronics第一頁(yè)，共四十三頁(yè)。概要電力電子技術(shù)主要研究如何利用電力電子器件高效實(shí)現(xiàn)電能的變換與控制的問題.本課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹典型電力電子裝置的電磁現(xiàn)象、基本工作原理、控制技術(shù)、設(shè)計(jì)與計(jì)算方法等.第二頁(yè)，共四十三頁(yè)。目錄1電力電子技術(shù)概論2電力電子器件3整流電路4逆變電路6AC/AC變流電路5DC/DC變流電路8軟開關(guān)技術(shù)結(jié)束7PWM控制技術(shù)9電力電子技術(shù)的應(yīng)用第三頁(yè)，共四十三頁(yè)。1電力電子技術(shù)概論1-1電力電子技術(shù)的概念1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容

1-3電力電子技術(shù)發(fā)展概況

1-4電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1-5課程教學(xué)計(jì)劃返回第四頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1電力電子技術(shù)的概念模擬電子技術(shù)1-1-1)信息電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)如收音機(jī)、電視機(jī)中的調(diào)諧電路，信號(hào)測(cè)量中的濾波、放大電路如對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算的數(shù)字電路等

信息電子技術(shù)提取、識(shí)別、處理小功率電信號(hào)中包含的信息?第五頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-2)電力電子技術(shù)變頻裝置將電網(wǎng)輸入的交流電變換為直流電的裝置,如同步電動(dòng)機(jī)的直流勵(lì)磁電源,直流弧焊電源將電網(wǎng)輸入的交流電變換為不同頻率的交流電,如變頻調(diào)速裝置處理信息??電源裝置第六頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)高效地將輸入電能變換為期望的另一種形式的電能直流電源、變頻電源等裝置的目的就是對(duì)電能本身進(jìn)行變換、控制變換后輸出的是另一種形式的電能—輸出電能更有效\更方便使用上述裝置特點(diǎn):第七頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1-3)電力電子技術(shù)的特點(diǎn)輸入電功率輸出電功率反饋信號(hào)功率變換主電路負(fù)載控制電路參考信號(hào)電力電子裝置的典型結(jié)構(gòu)1-1電力電子技術(shù)的概念第八頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-3)電力電子技術(shù)的特點(diǎn)以大功率電子器件為核心反饋信號(hào)的獲取、控制電路的物理實(shí)現(xiàn)都會(huì)涉及電子技術(shù)按照一定的控制規(guī)律，確定對(duì)主電路中大功率電子器件導(dǎo)通與關(guān)斷的控制。以電能的變換與控制為研究對(duì)象

第九頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(shù)是交叉學(xué)科電力電子學(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)1974年美國(guó)學(xué)者W.Newell指出，電力電子技術(shù)是由電氣工程三大領(lǐng)域：電力技術(shù)、電子技術(shù)與控制理論結(jié)合形成的交叉學(xué)科。第十頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程。如高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電機(jī)勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等。第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(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。電力電子裝置廣泛應(yīng)用于基于控制理論的自動(dòng)化系統(tǒng)，是自動(dòng)化的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。國(guó)際電工委員會(huì)將電力電子學(xué)科命名為“PowerElectronics”1-1電力電子技術(shù)的概念1-1-4)電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(shù)與電力電子學(xué)并無實(shí)質(zhì)的不同，只不過前者從工程技術(shù)角度而后者從學(xué)術(shù)角度來稱呼所研究的學(xué)科。中文直譯為“電力電子學(xué)”返回第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容1-2-1電力電子器件1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容1-2-3電力電子裝置與應(yīng)用第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-1電力電子器件1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容電力電子器件與信息處理用電子器件的制造依據(jù)相同的理論基礎(chǔ)。制造工藝不同.電子器件:學(xué)過的有二極管\三極管等電子器件的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)電力電子器件特點(diǎn)涉及功率范圍大……數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦工作在開關(guān)狀態(tài)第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)電能變換的電力電子電路基本形式逆變

交流電力控制變頻、變相

交流（AC）直流斬波整流

直流（DC）

直流（DC）

交流（AC）

輸入

輸出第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)電能變換的電力電子電路基本形式:

交流-直流變換（AC/DC變換）直流-交流變換（DC/AC變換）直流-直流變換（DC/DC變換）交流-交流變換（AC/AC變換）電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容是研究實(shí)現(xiàn)這些變換的電路結(jié)構(gòu)及其工作原理第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容AC/DC變換是將交流變換為直流的變換，這種變換稱為整流。相應(yīng)的裝置稱為整流器。采用晶閘管的相控整流裝置應(yīng)用很廣：直流調(diào)速用整流電源、同步電機(jī)勵(lì)磁電源、衛(wèi)星地面接收站使用的直流電源等。第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容DC/DC變換是直流到直流的變換，稱為斬波。相應(yīng)的裝置稱斬波器。如直流電機(jī)斬波調(diào)速裝置，太陽(yáng)能發(fā)電裝置中使用的直流電壓升壓電路。第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容如計(jì)算機(jī)房使用的不間斷電源（UPS）就是一種恒頻輸出的逆變器，交流電機(jī)調(diào)速使用的變頻器含有輸出頻率可調(diào)的逆變器。DC/AC變換是將直流變換為交流的變換，這種變換稱為逆變。相應(yīng)的裝置稱為逆變器。第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容AC/AC變換實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電參數(shù)進(jìn)行變換。對(duì)電壓有效值進(jìn)行調(diào)節(jié)的稱為交流調(diào)壓如有些溫度控制系統(tǒng)就是采用調(diào)壓來控制發(fā)熱元件所輸出的功率.將50HZ工頻電直接變換為其它頻率交流電的過程稱為交交變頻，相應(yīng)的變流裝置稱為周波變換器。周波變換器廣泛應(yīng)用于低頻、大功率交流調(diào)速。第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容電力電子電路的控制技術(shù)可分為相位控制與脈沖寬度調(diào)制（PWM）兩大類相位控制技術(shù)通過控制電力電子器件在一開關(guān)周期中開通的時(shí)刻來調(diào)節(jié)輸出電能----相位控制主要用于晶閘管電路第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容PWM控制技術(shù)通過直接控制在一開關(guān)周期中電力電子器件導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間比例來調(diào)節(jié)輸出電能PWM技術(shù)主要用于應(yīng)用全控器件的電力電子電路。PWM技術(shù)已成為電力電子電路中應(yīng)用的主流控制方法。第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。電力電子電路中的大功率電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，這種開關(guān)型的電路屬于非線性電路。1-2-2電力電子電路及其控制技術(shù)1-2電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容電力電子電路分析方法對(duì)電力電子電路分析的基本方法是采用分段線性分析，即將電力電子電路在不同時(shí)段采用不同的線性電路來模擬，進(jìn)而利用線性電路理論進(jìn)行分析。電路理論是電力電子電路研究的基礎(chǔ)返回第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-3電力電子技術(shù)發(fā)展概況電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件發(fā)展密切相關(guān).黎明期(1904-1957).晶閘管時(shí)代（1957年－21世紀(jì)70年代）.全控器件大發(fā)展階段（1970以來）.功率集成電路的興起（1990年代末以來）第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-3電力電子技術(shù)發(fā)展概況電力電子技術(shù)的發(fā)展階段返回◆一般認(rèn)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)商用晶閘管為標(biāo)志的。第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-4電力電子技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)電能的最佳利用1-4-1電力電子技術(shù)的重要作用改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)電一體化等新產(chǎn)業(yè)電力電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要的地位第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-4-1電力電子技術(shù)的作用電網(wǎng)供電的形式是固定的，而用電設(shè)備對(duì)電能形式的要求是多種多樣的。為了合理高效地利用電能，通常在用電設(shè)備的前端對(duì)電能形式進(jìn)行變換與處理。促進(jìn)電能的最佳利用現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家電能的75％要經(jīng)過電力電子變換或控制后使用，我國(guó)經(jīng)過變換或控制后使用的電能目前僅占30％，利用電力電子技術(shù)使用電能的發(fā)展余地還很大。第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-4-1電力電子技術(shù)的作用改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用電力電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，具有明顯的節(jié)能、節(jié)材、改善產(chǎn)品性能等效果。如:風(fēng)機(jī)、水泵用變頻調(diào)速運(yùn)行，則降速10%節(jié)電可達(dá)約30%，節(jié)能十分可觀。如:變壓器的鐵芯截面積與其供電頻率成反比，因此采用高頻逆變技術(shù)的電源裝置的鐵芯材料的使用比工頻整流裝置要少得多，如逆變式電焊機(jī)比工頻交流和直流弧焊機(jī)節(jié)電30％～40％，省材約75%。第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。如:太陽(yáng)能發(fā)電中須利用DC-DC變換裝置將太陽(yáng)能電池輸出的電能充電給蓄電池，再用DC-AC變換裝置將蓄電池儲(chǔ)存的電能變換為交流電供用電設(shè)備使用或傳輸給電網(wǎng)。1-4-1電力電子技術(shù)的作用發(fā)展機(jī)電一體化等新產(chǎn)業(yè)航天、激光、電動(dòng)汽車、機(jī)器人、新能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池）等領(lǐng)域都和電力電子技術(shù)有著密切關(guān)系。第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)。電力電子裝置可分為兩大類：1-4-2電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子補(bǔ)償控制器負(fù)載是電網(wǎng)本身，主要作用是改善電網(wǎng)質(zhì)量電力電子變換電源.將電網(wǎng)電能變換為負(fù)載所需的電能形式供負(fù)載使用.將其他形式的電能變換為工頻電送給電網(wǎng)第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-4-2電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子變換電源的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：1、直流開關(guān)電源2、恒頻、恒壓逆變電源3、一般工業(yè)中電力傳動(dòng)用電源4、電力系統(tǒng)應(yīng)用5、交通運(yùn)輸—如電力機(jī)車、電動(dòng)汽車應(yīng)用6、中高頻感應(yīng)加熱電源7、電解、電鍍用低壓大電流電源8、其它應(yīng)用—如超導(dǎo)儲(chǔ)能\核聚變反應(yīng)堆用大容量的脈沖電源……第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)。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，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(shí)現(xiàn)的.電力電子技術(shù)的應(yīng)用例

第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)。

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(bǔ)償或諧波抑制。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例

TSC單相主電路–提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例由冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院、中國(guó)科學(xué)院電工研究所、北京金自天正智能控制股份有限公司共同完成的“7500kVA大功率IGCT交直交變頻系統(tǒng)”獲2010年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速是國(guó)家重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵設(shè)備，也是當(dāng)前國(guó)家節(jié)能減排的重點(diǎn)推廣技術(shù)。7500kVA大功率IGCT交直交變頻系統(tǒng)第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器雙饋發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電機(jī)相似，即定子、轉(zhuǎn)子均為三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組電流由滑環(huán)導(dǎo)入，發(fā)電機(jī)的定子接入電網(wǎng)；而電網(wǎng)通過四象限交直交變流器向發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子供電，提供交流勵(lì)磁電流。雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器降低了并網(wǎng)變流器的造價(jià)，也可方便地實(shí)現(xiàn)無功功率控制。第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器主電路基本結(jié)構(gòu)變流器第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例豐富的太陽(yáng)輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。據(jù)預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，有可能成為世界能源供應(yīng)的主體。第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用例返回光伏低壓并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三相橋式逆變電路第三十九頁(yè)，共四十三頁(yè)。1-5課程教學(xué)計(jì)劃電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究各類變流裝置的電磁現(xiàn)象、基本工作原理、控制技術(shù)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。教學(xué)學(xué)時(shí)：56其中，主講：46