电力电子技术绪论课件

《电力电子技术》绪论电力电子技术绪论新本科目录引言

1.什么是电力电子技术

2.电力电子技术的发展史

3.电力电子技术的应用

2电力电子技术绪论新本科

引言

什么是电力电子技术？它的发展经历了哪些阶段？目前主要应用在哪些领域？发展趋势■3电力电子技术绪论新本科

引言

本领域著名专家美国田纳西（Tennessee）大学教授，诺克斯维尔（Knoxville）电力电子应用中心首席科学家B.K.Bose博士1996年来我校讲学，并留下了他的一本著作。在这本著作的前言中写到：中文版序言

正如我们所了解的那样，当我们迎着21世纪的曙光前进之时．电力电子学与变频传动技术变得越发重要了。我很乐意提请诸位注意，在我开始从事我的专业时的1958年，当时晶闸管刚刚诞生，这正是现代电力电子时代的开始。我亲眼看到这项技术从萌芽到成长为枝繁叶茂大树的40年的发展历程，它在世界范围的工业文明发展中所起的关键作用可能仅次于计算机。■4电力电子技术绪论新本科

引言

我们期待电力电子技术在未来的工业自动化、能源领域、交通运输以及公用事业等方面的应用有巨大的发展。而事实上，它也将扩展到工业、商业、民用和军事系统的各个方面。从另一个侧面，即提高用电效率从而有助于环境污染控制这个具有广阔发展前景的领域来看，电力电子技术的重要性也正在日益显露出来。作为一项复杂的多学科性的技术领域，电力电子学正在迅速扩展其应用的范围。对今天从事电力电子技术应用研究的工程师来说，他们必须深入了解电力半导体器件、功率变换器、电机、电力传动以及先进的控制、仿真技术和数字信号处理等技术。新兴的人工智能技术，诸如专家系统、模糊逻辑和神经网络也正在踏进电力电子学的前沿，随着相关技术和工艺的进步，电力电子工程师们将面临更加严峻的挑战。■5电力电子技术绪论新本科

引言

序言

我们确实为我们有幸成为电力电子行业中的一员而感到无比自豪。我亲眼看着这个学术领域像一棵大树那样一寸一寸地成长起来，从晶闸管发展到大功率晶体管。到直流传动，到微处理器．到高级的变换器。到交流传动，到无速度传感器控制，到辨识，到智能控制等等。在我有生之年，我幸运地看到现代电力电子技术从生根到成长为枝繁叶茂树木的全过程。并得到广泛的承认。在2l世纪，我们将会看到电力电子学对于工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染控制等方面发展所产生的巨大推动作用。从工业电子学诞生之日算起，电力电子学的发展已有近100年历史。要是它再早100年诞生或许就好了。那样我们就会感受到它的成熟和广泛应用。■6电力电子技术绪论新本科

引言

现在让我做一全面的历史回顾。众所周知．世界工业文明大约起源于200多年前的1785年，那年瓦特发明了蒸汽机．这是工业革命的开始、人力逐渐被机械动力所代替。19世纪末。内燃机的发明给了这个发展趋势以更大的推动；也就是在这个时期(1888年)，尼·特斯拉发明了工业用感应电动机。直流电机和同步电机也分别在其前后研制出来。随着电机的出现和电力的应用．新的电气化时代开始了。后来在l948年。晶体管的发明(发明人是Bardeen，Brattain和Shockley)标志现代电子时代的开始。接着半导体电力电子器件、电子计算机、机器人、通讯等现代技术相继问世。半导体电力电子常被视为第二次电子革命，它的重要意义就在于电力电子学把机械时代、电气时代和电子时代开创的技术融合在一起。它确实是一门学科交叉的技术。■7电力电子技术绪论新本科

引言

当我们即将跨入21世纪工业革命．人类社会正处在光辉顶峰并收获着现代科学技术的各种成果之际。我们必须看到。在魅力和丰硕果实的背后．还存在人们遭受苦难的阴暗面。具有讽刺意味的是。地球上55亿人口中有85％以上的人仍忍受着贫穷、饥饿和病痛的折磨。在少数人生活富裕而绝大多数人受苦的情况下。怎能说这个世界是个幸福、健康的乐园呢：地球母亲的资源看来还是丰富的。特别是在拥有现代科技的今天更是如此．足以为所有的人们提供良好的生存条件，我呼吁所有电力电子界的同行们．勇敢地前去以无私、仁慈、同情、怜悯和爱心来回报社会，这个社会为我们的成功而付出的太多太多。让我们在全世界电力电子是一家的旗帜下去完成这个神圣的使命吧。■8电力电子技术绪论新本科1.什么是电力电子技术电子技术:信息电子技术signalelectronics电力电子技术powerelectronics信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术电力电子技术——应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至1W以下信息电子技术主要用于信息处理，电力电子技术主要用于电力变换■9电力电子技术绪论新本科变流技术电力——交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流■电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流进行电力变换的技术称为变流技术表0-1电力变换的种类输入输出交流直流直流整流直流斩波交流交流电力控制变频、变相逆变10电力电子技术绪论新本科电力电子技术两个分支变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置和电力电子系统的技术电力电子技术的核心，理论基础是电路理论

电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理■11电力电子技术绪论新本科“电力电子技术”和“电力电子学”电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现1974年，美国的W.Newell用图0-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受图0-1描述电力电子学的倒三角形■“电力电子学”和“电力电子技术”分别从学术和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同12电力电子技术绪论新本科电力电子技术和电子学的关系电子学——电子器件对应电力电子器件电子电路电力电子电路电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同现代电力电子器件制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源■13电力电子技术绪论新本科电力电子技术和电子学的关系器件的工作状态信息电子，既可放大，也可开关电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态——电力电子技术的一个重要特征

电力电子电路和电子电路许多分析方法一致，仅应用目的不同广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路■14电力电子技术绪论新本科电力电子技术与电气工程的关系主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程通常把电力电子技术归属于电气工程学科电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力■15电力电子技术绪论新本科电力电子技术与控制理论的关系控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术■16电力电子技术绪论新本科21世纪电力电子技术的前景20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，而电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱计算机的作用比做人脑。电力电子技术可比做人的消化系统和循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网等的“粗电”变成“精电”），再由循环系统把转换后的能量传送到大脑和全身。电力电子技术连同运动控制一起，可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动21世纪中将会起十分重要的作用，有十分光明的未来■17电力电子技术绪论新本科电力电子与其他学科的关系■18电力电子技术绪论新本科2.电力电子技术的发展史

电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。电力电子技术的诞生1956年美国的贝尔（Bell）实验室发明了晶闸管(Thyristor)，也称为可控硅（SiliconControlledRectifier）。1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管■19电力电子技术绪论新本科电力电子技术的史前期或黎明期晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在1904年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电■20电力电子技术绪论新本科电力电子技术的史前期或黎明期各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机—直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管■21电力电子技术绪论新本科晶闸管（1957年开始）晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现

■22电力电子技术绪论新本科全控型器件（70年代后期）70年代后期开始，以GTO、BJT(GTR)、POWERMOSFET为代表的全控型电力半导体器件得到了快速发展。特点：集成化：所有全控型器件都由许多单元胞（cell）管子并联而成。高频化：开关速度高于晶闸管，如，GTO工作频率1~2KHz，BJT2~5KHz，MOSFET数百KHz，SIT可达10MHz。全控化：通过对门极（栅极、基极）的控制方式既可使器件导通，又可使其关断。电路形式弱电化和控制技术数字化：可方便的采用PWM控制技术。■23电力电子技术绪论新本科复合型器件和功率集成电路80年代后期开始复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表IGBT是MOSFET和BJT的复合它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。■24电力电子技术绪论新本科复合型器件和功率集成电路模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代

表了电力电子技术发展的一个重要方向电力电子预制块：PowerElectronicBuildingBlock.(PEBB)。这是近两三年来电力电子技术领域的一个前沿研究方向。

■25电力电子技术绪论新本科变流电路的进步DC-DC变换电路的改进：DC-DC变换电路—将不可控直流变为可控直流，在开关型直流电源及直流电机调速系统中广泛使用。BUCK、BOOST、BUCK/BOOST、CUK；无工频变压器的直流开关电源。DC-AC变换电路的改进：全控型器件取代半控型器件；PWM逆变器取代六阶梯波逆变器。AC-DC变换电路的改进：PWM整流器取代相控整流器，提高入端功率因数，减少电网谐波。AC-AC变换电路的改进：矩阵式变频器软开关变换电路的提出：减小开关损耗，提高开关频率，提高功率密度。■26电力电子技术绪论新本科电力电子学发展历程中的重要事件1803年整流器的发明1876年硒整流器的发明1896年单相桥式整流电路1897年三相桥式整流电路1902年水银整流器的发明1903年相控整流器的原理1911年金属封装水银整流器的发明1922年周波变换器的原理1923年电子闸流管1924年斩波器的原理■27电力电子技术绪论新本科电力电子学发展历程中的重要事件1925年逆变器换流原理1926年热阴极电子闸流管1931年铁路牵引用周波变换器1933年引燃管的发明1935年高压直流输电的实现1939年电机驱动概念的引入1942年20MW频率变换器，25/60Hz1953年锗功率二极管，100A1954年硅功率二极管1957年半导体闸流管■28电力电子技术绪论新本科电力电子学发展历程中的重要事件1958年半导体闸流管的商业化1961年小功率GTO1964年三端双向可控开关元件用于直流电机驱动1965年光激硅可控整流器1967年用于高压直流输电的晶闸管1970年硅双极型晶体管(BJT)，500V，20A1971年磁场定向原理的发明（矢量控制）1973年用周波变换器实现的无齿轮传动球磨机1975年巨型晶体管，300V，400A1978年功率场效应管，100V，25A

■29电力电子技术绪论新本科电力电子学发展历程中的重要事件1979年功率场效应管采用微处理器实现矢量控制的晶体管逆变器（LEONHARD）1980年矩阵变换器，光触发晶闸管，4kV，1.5kA，开关磁阻电机1981年2500V，1000AGTO1982年CUK变换器1983年IGBT的发明，谐振型DC/DC变换器1986年直流环节谐振型变换器,柔性输电概念的提出1987年双向PWMRectifier-Inverter1987年场控晶闸管（MCT）直接转矩控制（DTC）1990年“SMART”功率驱动■30电力电子技术绪论新本科电力电子学发展历程中的重要事件1991年80MVA静止无功补偿器1992年300MW直流输电，6kV，2.5kA1993年模糊逻辑，神经元网络在电力电子与电力传动中的应用1994年1MVAIGBT不间断电源38MVAGTO牵引逆变器400MW变速泵储能系统1995年3电平GTO/IGBT逆变器在球磨机传动中的应用（15/1.5MVA）1997年IGCT概念的提出和商业化

ETO/MTO的开发■31电力电子技术绪论新本科电力电子学发展历程中的重要事件1998年5MW3电平直接力矩控制变换器1MW50千赫电流型感应加热逆变器1998年300MWGTO高压输电变换系统6

.5kV双向晶闸管（BCT）1999年6

.5kV，600AIGBT模块在3000V直流系统中替代GTO双向MOS开关（MBS）2000年反向阻断型IGBT

用3电平IGCT逆变器实现的45MVA动态电压补偿器（DVR)矩阵变换器模块■32电力电子技术绪论新本科3.电力电子技术的应用1）一般工业

直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合■33电力电子技术绪论新本科3.电力电子技术的应用

2）交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术■34电力电子技术绪论新本科3.电力电子技术的应用电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流■35电力电子技术绪论新本科

3.电力电子技术的应用3）电力系统电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的■36电力电子技术绪论新本科

3.电力电子技术的应用

无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置■37电力电子技术绪论新本科

3.电力电子技术的应用4）电子装置用电源

各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。■38电力电子技术绪论新本科

3.电力电子技术的应用

5）家用电器照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。■39电力电子技术绪论新本科3.电力电子技术的应用6）其他

不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术■40电力电子技术绪论新本科

3.电力电子技术的应用传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。

■41电力电子技术绪论新本科3.电力电子技术的应用为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。■42电力电子技术绪论新本科

3.电力电子技术的应用

总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十W以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。■43电力电子技术绪论新本科

3.电力电子技术的应用

电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。

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4.本教材的内容简介和使用说明

教材内容可分为三大部分第一部分：电力电子器件第1章(全书的基础)主要介绍各种电力电子器件的基本结构、工作原理、主要参数、应用特性，以及驱动、缓冲、保护、串并

联等器件应用的共性问题和基础性问题以器件的应用为目的而展开，基本上不涉及器件的制造工艺在各种器件中，晶闸管、

IGBT、电力MOSFET三种应用最为广泛的器件为本书的重点■45电力电子技术绪论新本科教材内容简介第二部分：各种电力电子电路第2~5章和第8章(全书的主体)第2~5章是各种基本电路，是按表0-1的分类展开的。第8章是各种基本电路的组合。在内容的介绍中，突出共同的分析方法对理解电路的工作原理十分有益。例如，电力电子电路是非线性的，但当电路中各开关器件通断状态一定时，又可按线性电路来分析。这一基本分析方法对各种电力电子电路都是适用的■46电力电子技术绪论新本科教材内容简介第三部分：脉宽调制（PWM）技术和软开关技术

第6、7两章PWM控制技术中没有新的电路拓扑出现，但由于采用了这一新的控制方法，使电力电子电路的性能有了很大的改善，一些以前难以实现的控制策略借助这一技术而得以实现PWM控制方法对电力电子技术的发展产生了深刻的影响，它适用于表0-1中所列的各种电力变换电路软开关技术是近年出现的一种新技术，它对提高工作频率，提高功率密度，提高效率都有重要意义