電力電子技術(shù) -1緒論

電力電子技術(shù)電氣與控制工程系陳惠榮ronghuichen@126.co公室：實(shí)619課程任務(wù)

電力電子技術(shù)是自動(dòng)化電氣工程本科專(zhuān)業(yè)的必修課程，要求在學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，熟悉典型的電力電子電路工作原理及參數(shù)計(jì)算方法，掌握一般電力電子電路的基本分析步驟和分析方法，獲得初步的工程實(shí)驗(yàn)及工程設(shè)計(jì)能力，為從事相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。課程考核與成績(jī)?cè)u(píng)定

課程考核方式為“考試”?？傇u(píng)成績(jī)由三部分構(gòu)成：平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、期末成績(jī)。平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)定包括課堂測(cè)驗(yàn)、課后作業(yè)、答疑等，占總評(píng)成績(jī)的20%；實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定包括操作過(guò)程情況及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，占總評(píng)成績(jī)的20%；期末筆試成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的60%。電力電子技術(shù)第一章緒論1.電力電子技術(shù)的概念◆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,指電力變換。

?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(shuō)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)?！艟唧w地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)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

(電源)輸出(負(fù)載)

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流

(正變換)直流斬波

交流（AC）交流電力控制變頻、變相逆變(逆變換)

表0-1電力變換的種類(lèi)功率變換（PowerConversion），是指在電源和負(fù)載之間，對(duì)電壓、電流、頻率、相位、相數(shù)實(shí)施變換。利用二極管、晶體管、晶閘管等功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，無(wú)損耗、理想地進(jìn)行功率變換的裝置被稱(chēng)為半導(dǎo)體功率變換裝置。功率控制（PowerControl），即對(duì)電壓、電流幅值及頻率進(jìn)行的控制。交流-直流（正變換）：利用S1~S4的通斷組合將交流變?yōu)橹绷?，同時(shí)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間即可控制直流輸出電壓的幅值及平均值。直流-直流（直流斬波）：控制開(kāi)關(guān)通斷可改變負(fù)載上直流電壓平均值；若輸出直流電壓平均值一定，而提高開(kāi)關(guān)頻率，則提高了脈動(dòng)分量頻率，可利用濾波器進(jìn)行濾波。直流-交流（逆變換）：利用S1~S4的通斷組合，可將負(fù)載上的正負(fù)輸出控制在一定范圍之內(nèi)，即將直流變換為具有任意頻率與幅值的交流輸出。功率變換（電力變換）基本過(guò)程功率變換控制原理理想開(kāi)關(guān)與實(shí)際情況

為了瞬時(shí)高效地進(jìn)行功率變換及控制，應(yīng)該采用滿(mǎn)足一定條件的開(kāi)關(guān)器件：在關(guān)斷狀態(tài)下能承受高的端電壓，且漏電流為零；在導(dǎo)通狀態(tài)下能通過(guò)大電流，且端電壓（導(dǎo)通電壓）為零；導(dǎo)通、關(guān)斷所必需時(shí)間為零；小信號(hào)能控制通斷，對(duì)控制信號(hào)無(wú)延遲；高速、反復(fù)通斷時(shí)開(kāi)關(guān)不會(huì)老化。半導(dǎo)體器件通斷過(guò)程中的端電壓、電流和損耗為了減小開(kāi)關(guān)通斷過(guò)程的損耗，可以采取措施使開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通時(shí)，電流的升高滯后于端電壓的降低，而在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，電壓的升高滯后于電流的降低，即使得通斷過(guò)程中電壓、電流的乘積接近于零，如下圖所示。2.電力電子學(xué)的形成

電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，主要是采用功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行功率變換與控制。

1947年，晶體管（Transistor）的發(fā)明標(biāo)志著電子學(xué)時(shí)代到來(lái)。此前，可在真空中控制電子流的電子管已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其后，電子管很快被晶體管所取代。20世紀(jì)60年代以后，陸續(xù)出現(xiàn)IC（IntegratedCircuit）、LSI（LargeScaleIC），電子學(xué)進(jìn)入微電子學(xué)的鼎盛時(shí)期。同時(shí)，大功率控制技術(shù)也在同步發(fā)展。在電子管之后，能通過(guò)大電流的氣體放電管可以控制數(shù)百至數(shù)千瓦以上的功率。30年代，采用閘流管進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制已經(jīng)實(shí)用化?，F(xiàn)在電力電子學(xué)的主要技術(shù)就是這個(gè)時(shí)代形成的。

1957年美國(guó)通用電氣（GE）公司發(fā)明了晶閘管（Thyristor），之后這種功率半導(dǎo)體器件的容量越來(lái)越大，實(shí)用的電力變換技術(shù)快速發(fā)展，并在60年代成為電力變換及控制領(lǐng)域的主流。20世紀(jì)60年代后半期，作為功率半導(dǎo)體器件的二極管（Diode）、晶體管、晶閘管等在大容量方面得到了發(fā)展，同時(shí)，控制功率半導(dǎo)體器件的電子技術(shù)也取得了進(jìn)展。電子技術(shù)逐漸向功率控制擴(kuò)展，進(jìn)而形成了電力電子學(xué)。

1974年，美國(guó)的W.E.Newell給出了電力電子學(xué)的解釋?zhuān)岢隽擞呻娮訉W(xué)（Electronics）、電力（Power）和控制（Control）三個(gè)學(xué)科交叉融合形成電力電子新學(xué)科的概念?！鲭娏﹄娮訉W(xué)◆美國(guó)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(gè)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?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(xué)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。

各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車(chē)牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無(wú)論是國(guó)內(nèi)國(guó)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(xué)科。在我國(guó)，電力電子與電力傳動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-2用兩個(gè)三角形對(duì)電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)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(jí)學(xué)科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。

?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(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。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。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制理論是自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

3.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(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的?！艟чl管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱(chēng)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(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線(xiàn)電，從而開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。

?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(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)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(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來(lái)變流。

?1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命?！艟чl管時(shí)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(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)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(guò)對(duì)門(mén)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(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）?70年代后期，以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場(chǎng)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(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門(mén)極（基極、柵極）的控制既可使其開(kāi)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(duì)于相位控制方式，可稱(chēng)之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)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(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(diǎn)。與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。?把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)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(gè)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(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

4.電力電子技術(shù)的應(yīng)用■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(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)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。

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。?一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)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(chǎng)合?！艚煌ㄟ\(yùn)輸?電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車(chē)中的直流機(jī)車(chē)中采用整流裝置，交流機(jī)車(chē)采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車(chē)輛。在未來(lái)的磁懸浮列車(chē)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(chē)輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

?電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車(chē)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)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。切換電阻方式斬波電路方式逆變電阻方式電車(chē)調(diào)速方式的發(fā)展◆電力系統(tǒng)

?據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶(hù)最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流裝置的處理。

?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(lái)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。?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無(wú)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(wú)功補(bǔ)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(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。

圖1-5中國(guó)南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無(wú)功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）◆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(kāi)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(kāi)關(guān)電源。

?在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置?！艏矣秒娖?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，