电力电子-1基础知识汇编

1、同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院电力电子与运动控制同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院授课教师 授课教师徐志宇博士，高级工程师智信馆（电信学院） 342 室2/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院课程参考资料教材 王兆安，刘进军主编电力电子技术（第5 版），机械工业出版社，2009 .7. 阮毅、陈伯时主编.电力拖动自动控制系统运动控制系统（第4版）,机械工业出版社，2010.1.主要参考书： Binmal K Bose. Modern Power Electronics and AC Drives. 机械工业出版社, 2002. Leo

2、nhard W. Control of Electrical Drives 3rd ed. Springer-Verlag, 2001 陈伯时，陈敏逊编. 交流调速系统.2版 机械工业出版社, 2005. 杨兴瑶编. 电动机调速原理与系统. 水利电力出版社, 1995. Jai P Agrawal. 电力电子系统理论与设计. 清华大学出版社, 2001. 正田英介. 电力电子学. 科学出版社, 2001.3/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院成绩评定7 次书面作业，每次大约4-8个练习题。2个系统设计题，要求采用 Matlab 进行联合仿真。课程设计若干项，由学生自由选择

3、开展创新类课程设计。成绩计入奖励加分。8 次实验室现场实验 + 4 次计算机自主仿真实验。课程考核由平时考核、期末考试和创新实验设计（作为奖励加分）构成。 平时考核由课堂讨论、作业、课程项目设计以及实验成绩组成，占总成绩 40% 期末课程考试成绩占 60 奖励加分原则上不超过5分，总分不超过100分。4/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院第一部分 预备知识电力电子与电力电子与运动控制运动控制同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院0 0 电力电子与电力电子与运动控制运动控制知识结构知识结构6/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.

4、1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术概念概念 电力电子技术：应用于电力电子技术：应用于电力电力领域的领域的电子电子技术。技术。电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力” ” 有区别于有区别于“电力系统电力系统”所指的所指的“电电力力” ” ，后者特指电力网的，后者特指电力网的“电力电力” ” ，前者则更一般些。，前者则更一般些。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。 7/74同济大学电子与信息工程学院同济大学

5、电子与信息工程学院1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件，电力电子器件，对对电电能能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。 电力电子器件的制造技术：电力电子技术的基础。电力电子器件的制造技术：电力电子技术的基础。 变流技术：电力电子技术的核心变流技术：电力电子技术的核心。 输入输入 输出输出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类8/21同济大学电子与信息工程学

6、院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子学电力电子学 美国学者美国学者W. Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力学电力学、电子学电子学和和控制控制理论理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。图图1-1 描述电力电子学的倒三角描述电力电子学的倒三角形形9/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和电子学电力电子技术和电子学电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基

7、于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。电力电子技术和电力学电力电子技术和电力学电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。的主要关系。 10/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 各种电力电子装置广泛各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止应用于高压直流输电、静止无功

8、补偿、电力机车牵引、无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电国内国外，通常都把电力电 图图1-2 1-2 电气工程的双三角形描述电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图动是电气工程的一个二级学科。图1-21-2用两个三角形对电用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程

9、一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。科内各二级学科的关系。 11/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论电力电子技术和控制理论 控制理论控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力广泛用于电力电子技术中，它使电力电子电子装置和系统装置和系统的的性能不断性能不断满足人们日益增长的满足人们日益增长的各种需求。各种需求。电力电子技术电力电子技术可以看成是弱电控制强电的可以看成是弱电控制强电的技术技术，是弱电和强电，是弱电和

10、强电之间的接口。而控制理论则是之间的接口。而控制理论则是实现实现这种接口的一条强有力的纽带这种接口的一条强有力的纽带。另外另外，控制理论是自动化技术的理论基础，控制理论是自动化技术的理论基础，二者二者密不可分，而密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的电力电子装置则是自动化技术的基础基础元件和重要支撑技术。元件和重要支撑技术。 12/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞

11、生是以1957年年美国通用电气公司研制出美国通用电气公司研制出第一个第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。13/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明黎明期。期。 1904年出现了年出现了电子管电子管，它能在真空中对电子流进行，它能在真空中对电子流进行控制控制，并应用于通，并应用于通信和无线电信和无线电，开启，开启了电子技术用于了电子技术用于电力电力领域的先河领域的先河。 20世纪世纪30年代到年代到50年代年代，水银整流器水

12、银整流器广泛用于广泛用于电化学工业电化学工业、电气铁道直、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的流变电所以及轧钢用直流电动机的传动传动，甚至用于直流输电。这一时期，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、各种整流电路、逆变电路逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。用。在这在这一时期，也应用一时期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室年美国著名的贝尔实验室发明发明晶体管晶体管，引发引发了电子了电子技术的一场革命。技术的一场革命。 14/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2

13、1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。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。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，属于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，属于半控半控型器件型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相

14、位控制方式，简称。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式相控方式。晶。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。到了很大的局限。15/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管电力双极型晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Po

15、wer-MOSFET）为代表的为代表的全控型器全控型器件件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其制既可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式斩波控制方式，简称，简称斩控方式斩控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合复合型器件型器件异军突起。它是异

16、军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优点。的复合，综合了两者的优点。与此相对，与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。16/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在一起，构成集成在一起，构成电力电子集成电电力电子集成电路（路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电

17、子集成技术包括以术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成技术混合集成技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率工作频率也不断提高。也不断提高。与此同时，与此同时，软开关技术软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为降为零，从而提高了电力电子装置的零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。 17/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术

18、的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 一般工业一般工业 工业中大量应用的工业中大量应用的交直流电动机交直流电动机，均采用电力电子装置进行调速。，均采用电力电子装置进行调速。 对调速性能要求不高的大型鼓风机等，近年来也采用了对调速性能要求不高的大型鼓风机等，近年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。以

19、达到节能的目的。 18/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为了避免起有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。种软起动装置也是电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电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。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电力电子技

20、术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。弧炉电源等场合。19/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院交通运输交通运输 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整流装置置，交流机车采用，交流机车采用变频装置变频装置。直流斩波器直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁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，

21、车辆中的各种的各种辅助电源辅助电源也都离不开电力电子技术。也都离不开电力电子技术。 电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池蓄电池的充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，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。20/741.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院电力系统

22、电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀整流阀和受和受电端的电端的逆变阀逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子也是依靠电力电子装置才得以实现的。

23、装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生静止无功发生器（器（SVG）、有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统等电力电子装置大量用于电力系统的的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网。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，以进行瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制电能质量控制，改善供电质量。，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，给蓄电池充电等都在变电所中，给操作系

24、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。需要电力电子装置。 21/741.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-5 中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站图图1-6 静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）22/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电

25、源供电。通信设备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采用全控型器件的高频开关电源高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型。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计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装供电，不间断电

26、源实际就是典型的电力电子装置。置。23/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、电冰箱、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各航天飞行器中

27、的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。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。也离不开电力电子技术。24/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来

28、越重要。 新能源、可再生能源发电比如风力新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用电力电发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网当需要和电力系统联网 时，更离时，更离不开电力电子技术。不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注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，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些特种电源，这也是电力电子技术的用武之

29、地。的用武之地。图图1-7 风场风场25/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 运动控制系统定义：运动控制系统定义： 运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置作为驱动机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统运动控制及其相关学科运动控制及其相关学科相关知识：相关知识： 电机与拖动基础、自动控制原理、电力电子技术等1.4 1.4 什么是运动控制什么是运动控制26/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1919世纪世纪8080年代年代以前以前-仅有直仅有直流电气传动流电气传动1919世纪末，出现交流

30、电机（鼠世纪末，出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）笼式异步交流电机）-开始逐步使用交流电气传动开始逐步使用交流电气传动2020世纪后期世纪后期交流调速兴起交流调速兴起2020世纪世纪3030年代起，形成直流年代起，形成直流调速，交流不调速的格局调速，交流不调速的格局1.5 1.5 运动控制的发展简史运动控制的发展简史27/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院工业生产:轧钢 造纸 机床传动交通运输:电力机车 电动汽车军事:雷达天线跟踪设备家电:CD机 自动洗衣机1.6 运动控制系统的应用运动控制系统的应用28/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院熄焦车运动

31、控制系统熄焦车运动控制系统工艺工艺干熄焦系统的生产设备熄焦车为大型移动机械设备(满载时每车均重约为120吨)，由交流电机驱动沿轨道运行，往返于焦炉和熄焦塔之间，接收任一指定碳化室的红焦，并将其运往熄焦塔熄焦。29/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院技术要求技术要求 熄焦车可在03m/s速度范围内按工艺要求的任意速度行驶，并实现无级调速，及软起动、软停车。 熄焦车完成接焦后，在2分钟之内行驶到提升机下指定位置，行驶距离为285m，并完成自动定位停车，干熄焦一期工程要求其定位精度达到0.1m，二期工程要求其停位精度达到0.01m。 系统能够实现与其它相关设备间的联锁控制和各种

32、信息传输；能融入整个企业的管控一体化网络。熄焦车运动控制系统熄焦车运动控制系统30/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院难点难点n大惯性负载、调速范围宽、非线性大惯性负载、调速范围宽、非线性从调速系统的角度来分析提示从调速系统的角度来分析提示结论结论03m/s速度每车均重约为120吨熄焦车完成接焦后，在2分钟之内行驶到提升机下指定位置，行驶距离为285m，并完成自动定位停车熄焦车运动控制系统熄焦车运动控制系统31/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院从类型上分从类型上分 直流电动机 交流感应电动机（交流异步电动机） 交流同步电动机。从用途上分从用途上分n用于调速系统的拖动电动机n用于伺服系统的伺服电动机运动控制系统的控制对象运动控制系统的控制对象32/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院电力电子型功率放大与变换装置电力电子型功率放大与变换装置 半控型向全控型发展半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展低频开关向高频开关发展 分立的器件向具有复合功能的功率模块发展分立的器件向具有复合功能的功率模块发展运动控制系统的功率放大与变换装置运动控制系统的功率放大与变换装置33/74同济