《电气工程及其自动化专业导论》课件-第4章电力电子与电力传动

第4章

电力电子与电力传动电力电子与电力传动是电气工程领域的核心学科之一，是研究新型电力电子器件、电能变换与控制、电力传动及其自动化等理论和应用技术的。该专业方向开设的核心课程有电路基础、电子技术、信号与系统、电磁场、计算机技术、系统建模与仿真、自动控制原理、电机学、电力电子技术、电力系统、新能源发电与控制、电动汽车新技术等。该专业方向的特点是弱电控制强电，强弱电紧密结合，重视工程和实践教学，强调动手能力、分析和解决问题能力的培养。就业方向有电力运行企业、电气装备制造企业、电气装备使用单位、科研设计院所、高校和机关事业单位等。4.1

电力电子与电力传动的发展历程

什么是电力电子技术电力电子技术（PowerElectronics），

出现于20世纪60年代，

又名电力电子学或功率电子学。1974年，美国学者W.E.Newell认为电力电子学是一门交叉于电气工程三大学科领域——电力学、电子学和控制理论之间的边缘学科。用倒三角描述，如图所示。

4.1

电力电子与电力传动的发展历程

什么是电力电子技术国际电气与电子工程师协会(IEEE)对电力电子技术的定义:“有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流和频率、波形等方面的变换。”

国内定义:以电力为处理对象的电子技术。具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。4.1

电力电子与电力传动的发展历程

什么是电力电子技术从工程的对象、内容和手段几方面理解电力电子技术：

对象：能量中的电能

内容：对电能形式的变换和控制

手段：利用电力电子器件（功率半导体器件）

问题：为什么要对电能进行变换和控制？4.1

电力电子与电力传动的发展历程

什么是电力电子技术电力系统的主体：固定频率50或60Hz的交流电作为主体。在使用电力时固定频率的交流电未必总是最佳选择：

如家用变频空调，需要改变频率；

如各种直流电源，将交流电变成直流电。所以，需要电能形式之间的变换。4.1

电力电子与电力传动的发展历程

什么是电力电子技术

电力电子技术的出现，架起了弱电控制强电的桥梁，连接了计算机与机电生产设备，为传统的工业带来了新的发展并创造了条件，为电能变换和电能的精细化管理提供了方法和手段，实现了人们朝夕梦想的对于电能的有效控制!4.1

电力电子与电力传动的发展历程

电力电子技术的发展历程电力电子技术是伴随着电力电子器件的出现和发展而发展的。

电力电子技术诞生的标志是1957年美国通用公司研制出的第一个晶闸管。4.1

电力电子与电力传动的发展历程

电力电子技术的发展历程

史前期1904年电子管问世，开启了电子技术用于电力领域的先河；20世纪30～50年代，是水银整流器时代；1947年晶体管诞生，引发了电子学的第一次革命，产生了半导体固态电子学这一新兴学科。发展史1957年晶闸管问世，引发电子学第二次革命，形成了功率电子学，进入了晶闸管时代；20世纪70～90年代，全控器型件迅速发展，进入了逆变器时代；20世纪80年代以来，产生了新一代高频化、全控型的功率集成器件，跨入了现代电力电子技术时代；2000年代以来，新材料器件迅速发展。4.1

电力电子与电力传动的发展历程

电力电子技术的发展历程

几点说明：一直以来，电力电子器件都是由硅材料制作出来的。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，硅器件的特性已经接近硅材料所能达到的理论极限；而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求，促进了宽禁带器件的发展；电力电子技术的发展还与控制技术的发展紧密相关。

因此，伴随着微电子技术、控制技术和电力电子器件制造技术的发展，极大地促进电力电子技术的发展和应用。

4.1

电力电子与电力传动的发展历程

什么是电力传动技术电力传动又称电气传动、电力拖动。电力传动是以电动机为原动机驱动生产机械，是将电能转变为机械能的装置。由于电能的传输与分配比较高效、易行，所以目前大部分生产机械的原动机采用的都是电动机。电力传动是以电动机为控制对象，按生产机械的工艺要求进行电动机的启停、转速或位置控制的自动化系统。如图所示。

4.1

电力电子与电力传动的发展历程

什么是电力传动技术电力传动特点：功率范围极大：单台设备的功率从几mW~几百MW；调速范围极宽：可从几r/min~几十万r/min；适用范围极广：可适用于各种各样的负载。

电力传动系统是电力电子技术的主要应用领域之一，自第一只晶闸管问世以来，电力电子便登上了电力传动的技术舞台，有力地推动了电力传动领域的技术革新，现代电力传动是电力电子与电机及其控制相结合的产物。4.1

电力电子与电力传动的发展历程

电力传动技术的发展历程

二、基准值的选取人力、畜力拉动远古电动机成组传动古代风力、水力传动十七世纪热机(蒸汽机、内燃机、柴油机)传动十九世纪末单电动机传动20世纪20年代多电动机传动直流传动快速发展交流传动快速发展直流传动和交流传动都是在19世纪诞生的，但当时的电力传动系统是不调速系统，只是一些简单的继电、接触、开关控制。随着社会化大生产的发展，生产制造技术越来越复杂，对生产工艺的要求越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度、快速启动和制动、正反转运行等方面具有较好的运行性能，从而推动了电动机调速技术的发展。电力传动经过了一个漫长的发展过程。古代动力的来源是人力、畜力；后来出现了借助于风力、水力传动的生产机械；再以后，发明了热机(蒸汽机、内燃机、柴油机)，就以高温蒸汽为动力；直到十九世纪出现了电能，就以电能为动力带动生产机械。从此，人类从繁重的体力劳动中解放出来。20世纪30年代20世纪60年代20世纪80年代4.1

电力电子与电力传动的发展历程

电力传动技术的发展历程

在20世纪大部分年代里，高性能的电力传动都采用直流电机；20世纪80年代以后，交流传动技术开始走向成熟，尤其是交流变频调速的发展，使电力传动发展到一个全新的境界；微型计算机的出现，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化，也促进了电力传动智能化的发展。

随着新颖的电力电子器件、超大规模集成电路、新的传感器的不断出现，以及现代控制理论、计算机辅助设计、自诊断技术和数据通信技术的深入发展，电力传动正以日新月异的速度发展。

4.2

电力电子技术的基本内容

电力电子技术是一门研究各种电力半导体器件，以及如何利用由这些器件构成的各种电路或装置，运用电路理论和控制技术对电能进行高效变换、处理和控制的技术；它既是现代电子技术在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个重要分支，也是电工技术在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个重要部分。可以说它是一个强弱电相结合、弱电控制强电的新领域，是能源变换和信息控制的结合。它的基本内容可以分为三大部分：电力电子器件及其功率集成电力电子变流电路电力电子控制技术电力电子技术4.2

电力电子技术的基本内容

电力电子器件及其功率集成

电力电子器件又称电力半导体器件，它是指应用半导体工艺制作的可以承受或控制一定功率的半导体元件。

它是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理；电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，它所承受电压、电流的能力是其最重要的参数；为了减少器件自身的损耗，电力电子器件一般工作在开关状态；20世纪90年代开始模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率集成；宽禁带半导体器件在开关特性、高电压、高温特性方面具有独特优势，它的诞生是电力电子技术的一次革命性发展。4.2

电力电子技术的基本内容

电力电子器件及其功率集成

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类:

不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件，这类器件是指电力二极管。半控型器件：能用控制信号控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件，这类器件主要是指晶闸管(Thyristor)及其派生器件。全控型器件：能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件，又称为自关断器件。这类器件品种很多，目前最常用的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应晶体管(MOSFET)。4.2

电力电子技术的基本内容

不控型电力电子器件——电力二极管

电力二极管的内部有P型半导体和N型半导体两层结构，它们相结合后形成一个PN结；外部有阳极A和阴极K两个端子，如图所示。

电力二极管的基本工作原理就在于PN结的单向导电性，PN结加上正电压，二极管就导通；去掉正向电压或加上反向电压，二极管就截止。电力二极管无论功能还是结构，都是最简单的电力电子器件；电力二极管在不可控整流、电感性负载回路的续流、电压源型逆变电路中的无功路径、电流源型逆变电路换流电容与反电动势负载的隔离等场合均得到广泛使用。4.2

电力电子技术的基本内容

半控型电力电子器件——晶闸管

晶闸管为“三端四层”结构，“三端”指外部有三个极：阳极A，阴极K，门极G；“四层”指内部有“四层三个PN结”，即四层半导体P1、N1、P2、N2形成三个PN结，如图所示。

晶闸管与电力二极管相比，不仅具有单向导电性，还有可控性。可控性：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极再加上适当的正向电压，晶闸管才能由截止变为导通。但晶闸管一旦开通，门极便失去控制作用。单向导电性：导通的晶闸管，不管门极有没有电压，阳极一旦加上反向电压，晶闸管就由导通变为截止。4.2

电力电子技术的基本内容

全控型电力电子器件——GTO

GTO是门极可关断晶闸管的简称，它的结构与普通晶闸管相似，也是PNPN四层三端半导体器件，三端A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极，如图所示。

它是一种具有自关断能力和晶闸管特性的电力电子器件；通过在门极施加负的脉冲电流使其关断；GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。4.2

电力电子技术的基本内容

全控型电力电子器件——GTR

GTR是电力晶体管的简称，是一种双极型大功率晶体管，也称功率晶体管或双极型晶体管(BJT)。它有三层硅半导体、两个PN结和三端引出极(基极B、发射基E和集电极C)，如图所示。

是一种耐压较高、电流较大的双极型电流驱动的全控型器件；具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点，因此广泛应用在交直流调速、不间断电源、中频电源以及家用电器等中小容量的变流装置中。4.2

电力电子技术的基本内容

全控型电力电子器件——MOSFET

MOSFET是电力场效应晶体管的简称，它是一种单极型半导体器件，有三个极分别为栅极G、漏极D和源极S，按导电沟道可分为P沟道型和N沟道型，如图所示。

是一电压驱动的全控型器件，用栅极电压来控制漏极电流；具有输入阻抗高，驱动功率小，开关速度快，工作频率高(可达1MHz)等优点，但电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。4.2

电力电子技术的基本内容

全控型电力电子器件——IGBT

IGBT是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种复合型器件，是将MOSFET和GTR的优点集于一身。它也是三端器件，为栅极G、集电极C和发射极E，如图所示。

IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通；IGBT既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单、驱动电流小的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT已逐步取代功率MOSFET和GTR。4.2

电力电子技术的基本内容

功率模块与功率集成电路

20世纪90年代中后期开始模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。习惯上将功率集成电路分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性；对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，简化对保护和缓冲电路的要求；功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。4.2

电力电子技术的基本内容

宽禁带半导体器件

在功率电力电子学领域，以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体器件与电路已成为当今产业发展的主流。氮化镓的技术优势源于其独特的材料属性：宽带隙、高击穿电压、高热导率、高电子迁移率和高饱和电子速度，具有超凡的开关性能，可助力提高能效并降低系统成本，适合应用于5G通信、汽车、照明、数据中心、雷达和卫星等场合。碳化硅在大功率的开发性能和功率密度方面具有很大优势。使用碳化硅制造的器件，可以将半导体器件的极限工作温度提高到600℃以上；在额定电压相同的前提下，碳化硅器件通态电阻很低；碳化硅器件工作频率比硅器件高10倍以上；4.2

电力电子技术的基本内容

电力电子变流技术

所谓电力电子变流技术就是在电源和负载之间，将电压、电流、频率、相位、相数中的一项或多项加以改变的技术。

是用电力电子器件构成电力变换电路，对电能进行控制的技术；是把粗电变成使用的精电的转换技术；它是电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。4.2

电力电子技术的基本内容

电力电子变流技术

根据电力电子变流器输入或输出是交流或直流,共有四种变换方式，即

交流变直流（AC/DC）直流变交流（DC/AC）直流变直流（DC/DC）交流变交流（AC/AC）4.2

电力电子技术的基本内容

电力电子控制技术

控制技术在电能变换中起着十分重要的作用，先进的控制技术是实现电力电子技术应用的关键。

电力电子技术可以看成弱电控制强电的接口，控制理论是实现该接口的强有力纽带。目前实现电能转换的控制方式有相位控制、通断控制、脉冲宽度调制和微机控制，控制技术的进步给电力电子系统展示了一个很大的发展空间。控制理论广泛用于电力变换中，使电力电子装置的性能满足各种需求；4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的主要类型由于电能的传输与分配比较高效、易行，所以目前大部分生产机械的原动机采用的都是电动机。电力传动系统也可以称为运动控制系统，其种类繁多，用途各异。

4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的主要类型电力传动是利用电力电子变流装置对电机的转速和转矩进行调节和控制，以满足生产机械的特性要求，提高产品工艺水平、产品质量、生产产量和效率。

电力传动系统主要由电动机、传动机构和电力电子变流装置三部分组成。电力电子变流装置和电动机显然是电力传动系统的核心设备。4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的主要类型

电动机通常分为两大类，一类是直流电源供电的直流电机，另一类是交流电源供电的交流电机。因此电力传动系统也分为直流电力传动和交流电力传动。

在20世纪的大部分年代里,鉴于直流电机具有对速度进行完全和方便的控制能力,高性能的电力传动都采用直流电机。与直流电动机相比,交流电动机有结构简单的优点,但早期因其转速和转矩调节困难,交流电动机只是用在大量不需要调速的传动系统中。20世纪80年代以后,由于矢量控制技术和直接转矩控制技术的发展，交流电力传动技术开始走向成熟，逐渐取代了直流电力传动。4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的应用需要对电机的速度和力矩特性进行控制的场合，就有电力传动的应用，所以电力传动应用领域非常广阔，已深入到社会生活的各个方面，包括信息家电、机械加工、矿山机械、起重和输送、风机和水泵、电梯、船舶、航空、交通等。

4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的应用电力传动与自动化控制密切相关，在工业应用方面，电力传动及其自动化在当代成套设备中所占的比重越来越大，重要性越来越突出，更新换代也越来越快。许多重大装备的技术水平主要由电力传动及其自动化的技术水平决定，表现在下面三大方面。

变频调速技术电力牵引技术电气伺服技术电力传动技术4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的应用——变频调速变频调速是根据电机转速与工作电源输入频率成正比关系,通过改变输入电源频率达到改变电机转速的目的。它是利用电力电子变流器对电机进行调节与控制，如图所示为交直交型变频器结构示意图。交流变频调速已成为当代电机调速的发展趋势，它以体积小、重量轻、精度和可靠性高，优异的调速、启动和制动性能，以及高效率、高功率因数和节能效果显著等优势，广泛应用于钢铁、石油等工业装备的传动和环保节能领域。低压变频器在电机系统节能中已经得到了广泛的推广应用，高压变频器是当前电机节能发展的重点，成为节能减排的主力军。

4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的应用——电力牵引电力牵引系统是用在电气铁道、地铁、各种电动车、工矿牵引、矿井卷扬及电梯等场合中实现运输、牵引的传动系统。电力牵引主要基于大容量电力电子变换及其控制技术，高速列车、地铁等电力牵引全部采用电力电子变流装置。未来随着电力电子器件和技术的进步，电力牵引系统将会向轻型化、高性能发展，更好地服务于交通运输领域。

4.3

电力传动系统的类型及应用

电力传动系统的应用——电气伺服伺服传动指用于现代数控机床、机器人、雷达等场合对运动控制要求比较高的传动。电气伺服系统主要由伺服电机、反馈装置、功率驱动装置和控制器四大部分组成,如图所示。伺服电机是电气伺服系统的核心部件,其性能的高低直接决定了伺服系统最终性能的优劣。稀土永磁交流伺服电机以其优良的性能与现代驱动控制技术和高精度传感器技术相结合，已经成为现代高性能伺服系统的主流及发展方向。

4.4

电力电子技术的应用二、基准值的选取序号行业及设备序号行业及设备1工业与生产：包括风机、泵、压缩机，电机拖动，感应加热，电解电镀，焊接，照明等方面4航天与运载：包括飞机，卫星，航天器，电磁发射器等2电力系统：包括高压直流输电，柔性交流输电，电力有源滤波器，静止无功发生器，新能源发电，储能系统等方面5商业与民居：包括加热设备，冷冻设备，电子仪器，电控门，电梯，照明，电脑，空调、冰箱、电视等3交通运输：包括火车，地铁，电动汽车，电力机车，船舶等方面6医疗与通讯：医疗电子设备，移动电子设备，开关电源，不间断电源，电池充电器等方面电力传动中的电机调速装置电力系统中的电能质量控制装置其他：不断涌现的新应用领域从人类社会生产与生活的各个方面来看电力电子技术的应用状况如下表：从电能使用方面来看电力电子技术的应用情况如下：用电设备中的电源变换装置电力电子技术

电力电子技术的研究对象是电能形态的各种转换、控制、分配、传送和应用，其应用已深入到工农业生产的各个领域和社会生活的各个方面。4.4

电力电子技术的应用

在电力传动中的应用电力传动系统一直是电力电子技术的重要应用领域，各类电动机是电力传动系统的执行部件,为了便于控制,在常规的恒压交直流电源与电动机之间需配备电力电子变流器。电动汽车的动力总成是一个典型的电力传动系统。电力电子技术是实现电动汽车高效充电及驱动运行的核心，各类型电力电子变流器都会对电动汽车的性能产生重要的影响。电力电子变流器在电力传动中起着功率放大和快速控制的作用，很方便地实现弱电控制强电和灵活实时控制。

4.4

电力电子技术的应用

在电力系统中的应用在电力的生产、分发和使用过程中，电力电子技术起着至关重要的作用。它不仅能提升电力系统运行的安全性、稳定性和可靠性，还能大大提高其运行效率、控制力和服务能力。高压直流输电术保证了我国西电东送战略的实施，将西北清洁电力远远不断输送到东部负荷中心，为双碳目标的实现奠定了坚实基础。未来电力系统将很大程度上通过增加可控的电力电子变流设备实现现有输电线路的最佳利用。

4.4

电力电子技术的应用

在电力系统中的应用——发电环节电力电子技术在发电环节中的应用有:大型发电机的静止励磁控制，水力、风力发电机的变速恒频励磁，核聚变反应堆所需要的大容量脉冲电源，发电厂风机、水泵的变频调速,风力发电、太阳能发电输出电能质量的改善和并网运行等。通过在其中运用电力电子技术，可实现高效率、高稳定性能的发电。新型电力系统接入大规模风光新能源，电力电子变流器成为新能源发电并网环节的关键技术。

4.4

电力电子技术的应用

在电力系统中的应用——输电环节电力电子技术在输电环节中最为典型的应用是高压直流输电(HVDC)和柔性交流输电(FACTS)。高压直流输电是将发电厂发出的交流电通过换流器整流为直流电，通过输电线路把直流电送入受电端，再把直流电逆变为交流电供用户使用。高压直流输电具有传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点,是目前解决高电压大容量、长距离输电、海底电缆输电和异步联网的重要手段。柔性交流输电是将电力电子技术和现代控制技术应用于高压输变电系统中，对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可提高输配电系统的运行可靠性、可控性，改善电能质量，并获取大量的节电效益。电力电子器件耐压水平和电流容量的增加，为其在电力系统一次回路的应用提供了条件，而有源逆变技术的成熟则为电力电子器件在交流系统中的应用提供了可能。

4.4

电力电子技术的应用

在电力系统中的应用——配电环节在配电系统中,电能传输面临着两个难以解决的问题，即如何提高供电的可靠性与保障电能的质量，尤其是在保障电能质量方面，需要控制好电压与频率等问题的同时，还要尽可能减少外来信号的不良干扰。目前已实际应用的典型电力电子设备有静止无功补偿器和有源电力滤波器。静止无功补偿器可以提高电网利用率，有源电力滤波器可用于吸收电网谐波以提高电网的电能质量。随着FACTS各项技术的成熟，也开始应用到配电系统中，主要用于改善配电网的电压和电流质量，包括有功、无功、电压、电流的控制和高次谐波的消除及蓄能等应用。

4.4

电力电子技术的应用

在电源变换中的应用电源就是提供电能的装置，通常把能将电能的形式进行控制和转换的电力电子变流装置称为电源。电力电子变换装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频或变频交流电源及满足特殊场合需要的特种电源。基于电力电子变换技术的电源在工业、通信设备、家用电器、军事装备等装置中获得广泛应用。在新一代航母的电磁弹射技术应用中，电力电子技术发挥着重要的作用。

4.5

电力电子与电力传动技术的发展趋势

电力电子技术的发展趋势电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术正朝着应用技术高频化与智能化、硬件结构集成化与模组化、产品性能绿色化与