绪论-电力电子

电力电子技术

PowerElectronics电气学院自动化系陶慧taohui@QQ:65724138绪论1.电力电子技术的概念及内容2.电力电子技术的发展史3.电力电子技术的应用4.教材内容简介、课时分配和学习考核1.1电力电子与信息电子信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换

电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术:用于电力领域的电子技术。

使用电力电子器件构成电力变换电路，对电能进行变换和控制的技术，包括电压、频率、电流、波形等电量的变换技术。电力电子技术变换的“电力”，有区别于“电力系统”所指的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.2电力电子技术的主要内容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电力变换技术（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电力进行控制的技术，以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——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、交流变交流表1

电力变换的种类进行电力变换的技术称为变流技术

输出输入直流交流交流整流交流电力控制变频、变相直流直流斩波逆变1.2电力电子技术的主要内容----变流技术电力电子技术是一门多学科交叉形成的新学科1.3与相关学科的关系1.3与相关学科的关系电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现；图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。电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散

电路、器件静止器、旋转电机图1描述电力电子学的倒三角形与电子学（信息电子学）的关系相同点：都分为器件和应用两大分支，二者同根同源。器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法也基本相同。不同点：器件工作状态不同：信息电子电路的器件可工作在开关

状态，也可工作在放大状态。电力电子电路的器件一般

只工作在开关状态。电路实现功能不同与电力学（电气工程）的关系电力电子技术广泛用于电气工程中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、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与控制理论（自动化技术）的关系控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口。控制理论是这种接口的有力纽带.电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。1.4地位和未来电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。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。2.电力电子技术的发展史

电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年晶闸管的出现为标志的。晶闸管问世电力电子元年

IGBT出现功率集成器件晶闸管时代水银(汞弧)整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展史前期—黎明期19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。水银整流器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。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。引发了电子技术的一场革命。

◆晶闸管时代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。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，属于半控型器件。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。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到了很大的局限。全控型器件和电力电子集成电路70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。采用全控器件的电路的控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。应用技术的高频化、硬件结构的模块化和产品性能的绿色化。高频化可使电力电子装置小型化和高效率(结合软开关技术）模块化可减小装置的体积和装置的分布参数绿色化可控制谐波、减小对电网和负载的影响电力电子技术的发展趋势3.电力电子技术的应用一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：

UPS、航天飞行器、新能源、发电装置（1）一般工业工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机，水泵等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。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。（2）交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术。工矿企业的直流电力机车需要牵引变电所配备整流设备,并利用直流斩波技术调速。铁路电力机车为交流电力机车，有整流器电力机车和交-直-交流电力机车，需要整流和变频装置。在磁悬浮列车中，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。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、船舶和电梯都离不开电力电子技术。（3）电力系统发电机励磁直流输电在长距离、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，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置实现。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。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。我国已经投运的直流工程①舟山直流输电工程，是我国第一项直流输电工程，输送功率50MW，直流电压100kV，直流电流500A，线路全长54km.②葛洲坝一上海±500kV,功率1200MW，全长1045km，

③天生桥一广州±500kV,

1800MW，全长960km④嵊泗直流输电工程，是海底电缆直流工程，输送功率60MW，直流电压50kV，直流电流600A，线路全长66．2km，其中59．7km为海底电缆，6．5km为架空线路

⑤三峡一常州±500kV,功率3000MW，全长860km⑥贵州一广东±500kV,3000MW，全长882km⑦三峡一广东500kV,3000MW，全长960km。国家电网近期规划13条特高压（±800kV）直流输电工程项目,向家坝-上海±800kV特高压直流输电已试运行。（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。在大型计算机和医院等场合，常常需要不间断电源（UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。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。空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。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。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。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时，更离不开电力电子技术。（5）家用电器及其他3.电力电子技术的应用目前，国外的70%~80%电能要经电力电子装置变换和控制后使用；我国仅有35%~40%的电能经电力电子装置变换和控制后使用。据国家电监委统计，09年我国年发电总量3.65万亿千瓦时，每年浪费2000亿千瓦时(三峡年发电发电1000亿千瓦时);2014年全国发电量5.5万亿千瓦时，电力供应已由紧张短缺转向供需平衡甚至宽松过剩，火力发电占75%，风力发电量达到1533亿千瓦时，弃风率达12%。我国电能使用效率有待提高。到本世纪二十年代我国将达到70%需经电力电子装置变换和控制，需经电力电子装置变换和控制，因此电力电子技术应用非常广阔。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。4.1教材的内容简介教材的内容可分为四大部分第一部分：电力电子器件

（第1章-----全书的基础)第二部分：各种电力电子电路（第2~5章-----全书的主体)第三部分：工程设计（第6章-----培养工程意识，选修）第四部分：应用

（第7章，选修）4.2课时分配课时分配：课内教学为40学时实验为