电力电子技术-2014第一章绪论

电力电子技术_2014第一章绪论第一页，共42页。苏宝平电气教研室（O）：31-124Tel：8623718238

第二页，共42页。希望大家遵守课堂纪律，有事书面请假，不要随意旷课。不定时点名，作为平时成绩的考评标准之一。平时成绩占总成绩的20%，包括考勤和平时作业。另外本课程有实验，实验成绩计入总成绩，占10%，期末考试占70%。课堂请勿接打电话，以免影响他人学习。第三页，共42页。第二章电力电子器件第三章整流电路第四章逆变电路第五章直流-直流变流电路第六章交流-交流变流电路第七章PWM控制技术第八章软开关技术第九章电力电子器件应用的共性问题第一章绪论第十章电力电子技术的应用第四页，共42页。第一章绪论1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展历史1.3电力电子技术的应用1.4本课程的内容介绍第五页，共42页。数字电子技术模拟电子技术电力电子技术信息电子技术电子技术信息电子技术：信息处理电力电子技术：电力变换电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。从转换的功率来讲，可在1W～1GW之间。1.1什么是电力电子技术1.1.1

概念电压、电流、频率、功率第六页，共42页。直流电力交流交流变交流直流变直流直流变交流（逆变）交流变直流（整流）电力变换第七页，共42页。表1-1电力变换的种类

交流输入输出直流直流交流整流直流斩波交流电力控制变频、变相逆变电力变换的技术——变流技术第八页，共42页。1.1.2两大分支电力电子技术电力电子器件制造技术变流技术变流技术电力电子器件构成各种电力变换电路{对这些电路进行控制的技术变流技术（电力电子器件应用技术）——电力电子技术的核心电力电子器件制造技术—

电力电子技术的基础第九页，共42页。电力电子电路——电力变换和控制

电子电路——信息处理电子电路电力电子电路信息电子电路器件开关状态放大状态开关状态电力电子电路器件1.1.3与其他学科的关系与电子学的关系许多分析方法一致，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第十页，共42页。电力电子技术广泛用于电气工程与电力学的关系电力电子技术高压直流输电静止无功补偿交直流电力传动电解电镀电加热电力机车牵引电气工程分支高性能交直流电源第十一页，共42页。与控制理论的关系控制理论电力电子技术弱电和强电接口弱电控制强电基础元件支撑技术实现广泛用于电力电子装置是自动化技术的第十二页，共42页。地位和未来

电力电子技术是电能变换技术，是把粗电变为适合使用的精电的转换技术电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的新技术电力电子技术在21世纪将更加迅速发展

未来科学技术两大支柱控制技术电力电子技术计算机第十三页，共42页。

史前期1904-19571904

电子管诞生

1970

全控型器件迅速发展晶闸管时代

1957-1970

1957晶闸管问世

1930-1947

水银整流器时代1947晶体管出现

1.2电力电子技术的发展史1957年美国通用电气公司快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（MOSFET）等第十四页，共42页。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晶闸管问世，(公元元年)

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)晶体管诞生第十五页，共42页。晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在：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；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；1、电力电子技术的史前期第十六页，共42页。传统的电力电子时代晶闸管SCR(SiliconControlledRectifier)可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。晶闸管因其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，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）、电力工业（直流输电）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。目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。2、晶闸管时代（1957年开始）第十七页，共42页。

GTO可关断晶闸管

BJT(GTR)电力双极型晶体管

Power-MOSFET电力场效应管这些器件可以通过门极（或栅极、基极）控制开通和关断。和SCR电路的相位控制方式相对应，全控型器件电路常使用脉冲宽度调制（PWMPulseWidthModulation）方式进行控制。3、全控型器件时代（70年代后期）第十八页，共42页。复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBTInsulated-GateBipolarTransistor）为代表：

IGBT＝MOSFET＋BJT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。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。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。4、复合型器件时代（80年代后期）第十九页，共42页。电力电子器件发展的目标是：大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化。新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术。电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。5、电力电子技术的前景第二十页，共42页。1.3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直流电动机可控整流电源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，软起动装置等交流电机第二十一页，共42页。第二十二页，共42页。电化学工业中整流变压器冶金工业中高频感应加热电源设备电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都用到。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需要大容量整流电源的场合。电镀装置也需要整流电源第二十三页，共42页。(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（FrequencyInverter）。直流斩波器（DCChopper）也广泛用于铁道车辆。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磁悬浮列车电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换（PowerConversion）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（FrequencyInverter）和斩波器（Chopper）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第二十四页，共42页。第二十五页，共42页。1.3电力电子技术的应用-交通运输3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（ACSpeedControlbyFrequencyVariation）已成为主流第二十六页，共42页。部分国内外知名公司的变频器

西门子（Siemens）公司施奈德公司

富士公司

第二十七页，共42页。安圣（华为电气）变频器系列ABB公司第二十八页，共42页。

(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也是依靠电力电子装置才得以实现的。柔性交流输电系统（FACTS）的英文表达为：FlexibleACTransmissionSystems:应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。

第二十九页，共42页。晶闸管变流装置无功补偿装置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、晶闸管投切电容器都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器、有源电力滤波器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第三十页，共42页。滤波电抗器有源电源滤波器示意图第三十一页，共42页。（4）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第三十二页，共42页。(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无极灯无灯丝和电极所以寿命长.一般4-6万小时第三十三页，共42页。钠灯金属钠作为发光物质,显色性不高只有黄色光,用于公路隧道和码头照明.效率高.第三十四页，共42页。变频空调控制器

变频空调器（FrequencyConversionAir－Condition）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。第三十五页，共42页。(6)其他

不间断电源（UninterruptablePowerSystem－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（SpaceFlightAerocraft）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不间断电源第三十六页，共42页。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