電力電子技術(shù)基礎(chǔ)-第1章 緒論

電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電力電子技術(shù)課程講座電力電子技術(shù)基礎(chǔ)（264頁(yè)）周永勤、李然、于樂(lè)、趙鵬舒編著機(jī)械工業(yè)出版社2023年8月出版一流本科專業(yè)一流本科課程建設(shè)系列教材新形態(tài)教材電力電子技術(shù)哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電力電子技術(shù)課程講座主要內(nèi)容1

緒論1

電力電子器件2

直流斬波器345

逆變器

整流器6

交交變換器

7

軟開(kāi)關(guān)

電力電子技術(shù)哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電力電子技術(shù)課程講座1

緒論1.什么是電力電子技術(shù)

2.電力變換的基本原理3.電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史4.電力電子技術(shù)的應(yīng)用5.本課程內(nèi)容介紹電力電子技術(shù)哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電力電子技術(shù)課程講座1

緒論11電力電子技術(shù)定義2電力變換的基本原理3電力電子技術(shù)的發(fā)展史4電力電子技術(shù)的應(yīng)用5

本課程內(nèi)容介紹61.1電力電子技術(shù)的定義電力電子技術(shù)（PowerElectronics），出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，又名電力電子學(xué)或功率電子學(xué)。第1章

緒論

1974年，美國(guó)學(xué)者W.E.Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是一門(mén)交叉于電氣工程三大學(xué)科領(lǐng)域——電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論之間的邊緣學(xué)科。

用倒三角描述，如圖所示。71.1電力電子技術(shù)的定義第1章

緒論電子技術(shù)所用器件：

晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成電路、微處理器、電感、電容。完成功能：

信號(hào)產(chǎn)生、變換、存儲(chǔ)、發(fā)送、接收?；A(chǔ)理論：

電路、磁路、電磁場(chǎng)電力技術(shù)所用設(shè)備：

電機(jī)、開(kāi)關(guān)、變壓器、

電感、電容、輸電線。完成功能：

發(fā)電、輸電、配電、用電?；A(chǔ)理論：

電路、磁路、電磁場(chǎng)電力電子技術(shù)所用器件：

晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成電路、微處理器、電感、電容。完成功能：

發(fā)電、輸電、配電、用電中的電能變換與控制。基礎(chǔ)理論：

電路、磁路、電磁場(chǎng)

1.1電力電子技術(shù)的定義第1章

緒論從上面的比較可以看出：電力電子技術(shù)與電子技術(shù)密切相關(guān)：都分為器件及應(yīng)用;有相同的理論基礎(chǔ);分析方法也一致。與電力技術(shù)也相關(guān)，是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。而且上述功能的實(shí)現(xiàn)，都離不開(kāi)控制，所以與控制理論也相關(guān)。控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)，使電力電子裝置的性能滿足各種需求;電力電子技術(shù)可以看成弱電控制強(qiáng)電的接口，控制理論是實(shí)現(xiàn)該接口的強(qiáng)有力紐帶。91.1電力電子技術(shù)的定義第1章

緒論電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是使用器件對(duì)電力進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。這個(gè)器件指的是功率半導(dǎo)體器件，也稱為電力電子器件。

從工程的對(duì)象、內(nèi)容和手段幾方面理解電力電子技術(shù)：

對(duì)象：能量中的電能

內(nèi)容：對(duì)電能形式的變換和控制

手段：利用電力電子器件（功率半導(dǎo)體器件）問(wèn)題：為什么要對(duì)電能進(jìn)行變換和控制？101.1電力電子技術(shù)的定義第1章

緒論電力系統(tǒng)的主體：固定頻率50或60Hz的交流電作為主體。為什么采用三相交流電作為電力網(wǎng)的主體？使用電力時(shí)固定頻率的交流電未必總是最佳選擇：有利于大功率發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)如變頻空調(diào)，需要改變頻率；如各種直流電源，將交流電變成直流電；直接驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（工業(yè)傳動(dòng)的主要形式）所以，需要電能形式之間的變換。111.1電力電子技術(shù)的定義第1章

緒論電力電子技術(shù)是以電力為處理對(duì)象的電子技術(shù)，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)。交流電力直流交流變交流直流變直流直流變交流（逆流）交流變直流（整流）電力變換這四類變換器將在后繼章節(jié)中詳細(xì)論述，下面簡(jiǎn)單介紹電力變換的基本原理。121.2電力變換的基本原理第1章

緒論上述的電力變換中使用的電力電子器件都是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件為什么工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)？器件開(kāi)通時(shí)，通過(guò)的電流i很大，但器件上的電壓u≈0器件斷開(kāi)時(shí)，承受的電壓u很高，但流過(guò)的電流i≈0

那么怎么由開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電力變換呢？為了使器件的功率損耗(P=UI)最?。?）AC/DC變換2、電力變換的基本原理下圖是用一個(gè)開(kāi)關(guān)組成的最簡(jiǎn)單的變流電路，輸入端接交流電us。在開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，負(fù)載電阻R上有電流通過(guò)。us正半周，開(kāi)K關(guān)閉合，電路中有正向電流通過(guò)；us負(fù)半周，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電路中就沒(méi)有電流通過(guò);從而，實(shí)現(xiàn)從交流電到直流電的變換，即AC/DC變換。如此重復(fù)，負(fù)載R上得到單一方向的電流，如圖。2）DC/DC變換2、電力變換的基本原理下圖也是用一個(gè)開(kāi)關(guān)組成的最簡(jiǎn)單變流電路，但輸入端接的是直流電us。如果開(kāi)關(guān)K的導(dǎo)通和關(guān)斷交替進(jìn)行，則負(fù)載R上電壓和電流的波形就是不連續(xù)的矩形波，如下圖所示。

這種以通斷方式調(diào)節(jié)直流電能的過(guò)程稱為直流斬波或直流脈寬調(diào)制(PWM)。如果在一個(gè)周期T中，改變開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間比，則矩形波的寬度就會(huì)變，在負(fù)載上的電壓和電流平均值也會(huì)變化；從而，實(shí)現(xiàn)直流電的調(diào)控，即DC/DC變換。3）DC/AC變換2、電力變換的基本原理

下圖是兩個(gè)開(kāi)關(guān)K1、K2組成的簡(jiǎn)單變流電路，輸入端接兩個(gè)電壓相同的直流電us。當(dāng)在K1導(dǎo)通(K2關(guān)斷)時(shí)，電阻R上得到正電壓；當(dāng)K2導(dǎo)通(K1關(guān)斷)時(shí)，電阻R上得到負(fù)電壓;將直流變換為交流的過(guò)程稱為逆變，即DC/AC變換。如此循環(huán)，電阻上便得到正負(fù)交替的交流電，如下圖。

如果開(kāi)關(guān)K1和K2都采取通斷控制，則可以將直流電變?yōu)榻涣麟姟?）AC/AC變換2、電力變換的基本原理下圖也是用兩個(gè)開(kāi)關(guān)組成的簡(jiǎn)單變流電路，輸入端接的是交流電us。us正半波，K1不斷地進(jìn)行通斷控制（K2關(guān)斷）；us負(fù)半波，K2不斷地進(jìn)行通斷控制（K1關(guān)斷）;改變通斷時(shí)間比，可以調(diào)節(jié)輸出交流電壓，稱交流調(diào)壓。則負(fù)載電阻上得到不連續(xù)的正弦波，如下圖。

如果開(kāi)關(guān)K1和K2都采取通斷控制，則可以將交流電變?yōu)榻涣麟?，即AC/AC變換。

每個(gè)開(kāi)關(guān)與一個(gè)二極管串聯(lián)表示流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流方向是單向的。這是因?yàn)樵趯?shí)際電路中這兩個(gè)開(kāi)關(guān)采用晶閘管，晶閘管是單向?qū)щ姷摹?.2電力變換的基本原理第1章

緒論開(kāi)關(guān)的電阻為0，沒(méi)有開(kāi)關(guān)壓降；開(kāi)關(guān)的動(dòng)作是無(wú)條件限制的;上述討論中的開(kāi)關(guān)是理想化的：由以上簡(jiǎn)單變流電路可以看出，開(kāi)關(guān)變流就是通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇，截取輸人直流電或交流電的片段，重新組合為新的直流電或交流電輸出。開(kāi)關(guān)通斷瞬時(shí)完成，沒(méi)有開(kāi)關(guān)過(guò)程;實(shí)際應(yīng)用的變流電路較理想電路要復(fù)雜；開(kāi)關(guān)的控制模式也直接影響著變流電路的性能。實(shí)際的開(kāi)關(guān)不是理想開(kāi)關(guān)：181.3電力電子技術(shù)的發(fā)展史第1章

緒論電力電子技術(shù)誕生的標(biāo)志是1957年美國(guó)通用公司研制出的第一個(gè)晶閘管。電力電子技術(shù)是伴隨著電力電子器件的出現(xiàn)和發(fā)展而發(fā)展的。191.3電力電子技術(shù)的發(fā)展史第1章

緒論史前期1904年電子管問(wèn)世，開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河；20世紀(jì)30～50年代，是水銀整流器時(shí)代；1947年晶體管誕生，引發(fā)了電子學(xué)的第一次革命，產(chǎn)生了半導(dǎo)體固態(tài)電子學(xué)這一新興學(xué)科。發(fā)展史1957年晶閘管問(wèn)世，引發(fā)電子學(xué)的第二次革命，形成了功率電子學(xué)，進(jìn)入了晶閘管時(shí)代；20世紀(jì)70～90年代，全控器型件迅速發(fā)展，進(jìn)入了逆變器時(shí)代；20世紀(jì)80年代以來(lái)，產(chǎn)生了新一代高頻化、全控型的功率集成器件，跨入了現(xiàn)代電力電子技術(shù)時(shí)代；2000年代以來(lái)，新材料器件迅速發(fā)展。1.3電力電子技術(shù)的發(fā)展史第1章

緒論

幾點(diǎn)說(shuō)明：一直以來(lái)，電力電子器件都是由硅材料制作出來(lái)的。隨著硅材料和硅工藝的日趨完善，硅器件的特性已經(jīng)接近硅材料所能達(dá)到的理論極限；而電力電子技術(shù)的發(fā)展卻不斷對(duì)電力電子器件的性能提出了更高的要求，促進(jìn)了寬禁帶器件的發(fā)展；電力電子技術(shù)的發(fā)展還與控制技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。

因此，伴隨著微電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。第1章

緒論1.4電力電子技術(shù)的應(yīng)用第1章

緒論不同類型功率器件適用領(lǐng)域

從圖中可以看出：晶閘管的功率和頻率范圍是1GW*100Hz；IGBT的功率和頻率范圍是10MW*100kHz；MOSFET的功率和頻率范圍10kW*10MHz；SiC的功率和頻率范圍是500kW*10MHz；GaN的功率和頻率范圍是1kW*100MHz。1.4電力電子技術(shù)的應(yīng)用第1章

緒論電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用。1.4電力電子技術(shù)的應(yīng)用第1章

緒論電力電子技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用電力電子技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義第1章

緒論節(jié)能

風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速、照明（取代普通鎮(zhèn)流器）；省材設(shè)備體積、重量減小，使銅、鐵的使用量減少；環(huán)保節(jié)能、省材是環(huán)保的具體表現(xiàn)；提高產(chǎn)品