电力电子技术概述

1、1电力电子技术概述电力电子技术概述1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.4 电力电子器件电力电子器件2电力电子技术的概念电力电子技术的概念 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电电力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” 有区别有区别于于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力” ，后者特指电，后者特指电力网的力网的“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

2、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。子技术都属于信息电子技术。 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术3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 对对电能电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是电力电子技术的基电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。础。 变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是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

3、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1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术4逆变器逆变器-把固定的直流电压变成把固定的直流电压变成固定固定或或可调可调的交流电压的交流电压斩波器斩波器-把固定的直流电压变成把固定的直流电压变成可调可调的直流电压的直流电压交流调压器交流调压器-把固定的交流电压变成把固定的交流电压变成可调可调的交流电压的交流电压变频器变频器-把固定的交流频率变成把固定的交流频率变成可调可调的交流频率的交流频率1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术5电力电子学电力电子学 美国学者美

4、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电力学学、电子学电子学和和控制理论控制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1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术61.1 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 电力电子电力电子器件的制造技术器件的制造技术和用于信息变换的电子和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。是一样的，其大多数工艺也是相同的。 电力电子电路和信

5、息电子电路的许多电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法分析方法也也是一致的。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。子学和电力学的主要关系。 71.1 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应用于高压直流输电高压直流输电、静止静止无功补偿无功补偿、电力机车牵引、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

6、常都把电力电国内国外，通常都把电力电 图图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1-2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。 81.1 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

7、制理论电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。现这种接口的一条强有力的纽带。 另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基者密不可分，而电力电子装置则是自动化

8、技术的基础元件和重要支撑技术。础元件和重要支撑技术。 91.2 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，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。10晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎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期。明期。 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控，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

9、启了电子技术用于电制，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。力领域的先河。 20世纪世纪30年代到年代到50年代年代，水银整流器水银整流器广泛用于电化学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。这一时期，各种整流电路、逆变动，甚至用于直流输电。这一时期，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。在电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用这一时期，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发明了年美国

10、著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了引发了电子技术的一场革命。电子技术的一场革命。 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史11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础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不

11、能使其关断的器件，属于能使其关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称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。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实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。现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史12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（GTR）和和电力场效应晶

12、体管（电力场效应晶体管（Power-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，以绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合复合型器

13、件型器件异军突起。它是异军突起。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。1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史13把把驱动、控制、保护电路驱动、控制、保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），），这代表了这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以技术包括以PIC为代表

14、的为代表的单片集成技术、混合集成单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术技术以及系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技软开关技术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零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史14硬开关：硬开关： 开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。 电压

15、、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。开关噪声。 硬开关和软开关硬开关和软开关 15软开关：软开关： 在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。 降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。 硬开关和软开关硬开关和软开关 161.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于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、通信一般工业，也

16、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，在照明、空调系统、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。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 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用，都是用电力电子装置进行调速的。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等近一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。 17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有些并不特别要求调速的电机为了避免起

17、动时的电流冲击而采用了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软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电力电子装置。电化学工业大量使用电化学工业大量使用直流电源直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容电解铝、电解食盐水等都需要大容量量整流电源整流电源。电镀装置也需要整流。电镀装置也需要整流电源。电源。电力电子技术还大量用于冶金工电力电子技术还大量用于冶金工业中的业中的高频或中频感应加热电源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。淬火电源及直流电弧炉电源等场合。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用18交通运输交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技

18、术。电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车电气机车直流机车中采用直流机车中采用整流装置整流装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。也广泛用于铁道车辆。车辆中的各种车辆中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，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高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

19、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。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用19电力系统电力系统直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的势，其送电端的整流阀整流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀都采都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要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用全控型的IGBT器件。器件。晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容）、晶闸管投切电容器（器（TSC）、静止无功发生器（）、静止无功发生器（SVG）、有源）、有源电力滤波器（电力滤波

20、器（APF）等电力电子装置大量用于等电力电子装置大量用于电力系统的电力系统的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用20利用稳定的利用稳定的直流电直流电具有无具有无感抗感抗，容抗容抗，无，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电。流输电。通过通过架空线架空线和和海底电缆海底电缆远距离输送电能；远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立它也被用于独立电力系统电力系统(不同频率电网，不同频率电网，频率相同但控制规律不同的交流电网频率相同但控制规律不同的

21、交流电网)间的间的互联。互联。 高压直流输电高压直流输电（HDVC ）21高压直流输电系统：电能从三相交流高压直流输电系统：电能从三相交流电网电网的一点导出，在的一点导出，在换流站换流站转换成直流，通过转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。兆瓦之间。高压直流输电（高压直流输电（HDVC ）22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

22、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）1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用23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源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的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、微型计算机内部的电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源现在也都采用

23、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，不供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。间断电源实际就是典型的电力电子装置。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用24开关电源开关电源线性电源：线性电源：调整管工作在线性放大状态调整管工作在线性放大状态调整管损耗大调整管损耗大工频变压器工频变压器体积大，重量重。体积大，重量重。25线性电源线性电源26开关电源开关电源开关电源：泛指电路中有电力电子器件工作在高开关电源：泛指电路中有电力电子器件工作在高频开关

24、状态的直流电源。频开关状态的直流电源。电力电子器件工作在开关状态，损耗很小电力电子器件工作在开关状态，损耗很小其隔离和电压变换的变压器其隔离和电压变换的变压器T是是高频变压器高频变压器，体，体积大大缩小，重量大大减轻积大大缩小，重量大大减轻27开关电源开关电源28家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为可节省大量能源，通常被称为“节能灯节能灯”，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 变频变频空调、电视机、音响设备、家用计算空调、电视机、音响设备、家用计算机，机， 不少洗衣机、电冰箱、微波

25、炉等电器也不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。应用了电力电子技术。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用29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，其地位也越来越重要。 新能源、可再生能源发电比如风新能源、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量。当需要和电力系统联网 时，更时，更离不开电力电子技术。离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和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

26、脉冲电注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。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，这也是电力电子要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。技术的用武之地。图图1-7 风场风场1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用30概念概念主电路主电路（Main Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。功率变换器即为通常所说的电力电制任务的电路。功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。子电

27、路（也称主电路），它由电力电子器件构成。 1.4 电力电子器件电力电子器件 -概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗31电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。电子器件。电力电子装置示意图 1.4 电力电子器件电力电子器件 -概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗32分类分类:电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸流管)半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）采用的主要材料硅）目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管目前，除了在大功

28、率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成半导体器件组成 1.4 电力电子器件电力电子器件 -概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗33同处理信息的电子器件相比的一般特征同处理信息的电子器件相比的一般特征能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。子器件。电力电子器件一般都工作在电力电子器件一般都工作在开关状态开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器电力电子器件自

29、身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装件，一般都要安装散热器散热器。 1.4 电力电子器件电力电子器件 -概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗34主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件开关频率较高时，开关损耗可能成为 器件功率损耗的主要因素。器件功率损耗的主要因素。控制极损耗控制极损耗 1.4 电力电子器件电力电子器件 -概念、分类、特征、损耗概念、分类、特征、损耗35 图 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路

30、检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电气隔离在主电路和控制电路中附在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常电子器件和整个系统正常可靠运行可靠运行由控制电路、驱动电由控制电路、驱动电路、路、 保护电路和以保护电路和以电电力电子器件为核心的力电子器件为核心的主电路主电路组成组成应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子电路电力电子电路电力电子系统电力电子系统电力电子电路电力电子电路36应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成导通导通主电路中主电路中电力电子器件电力电子器件关断关断检测电路、驱动电路以外的电路检测电路

31、、驱动电路以外的电路控制电路控制电路由信息电路组成由信息电路组成控制电控制电路路主电路主电路电力电子系统电力电子系统检测电检测电路路检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号通过驱动电路通过驱动电路控制控制37主电路主电路驱动电路驱动电路检测电检测电路路控制电路控制电路 控制信号控制信号电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离保护电路保护电路 保证电力电子器件和整个电力电子保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行系统正常可靠运行应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成38电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2主电路端

32、子主电路端子之间信号之间信号导通导通关断关断电力电子器件电力电子器件控制端控制端主电流端子（公共端）主电流端子（公共端）驱动电路和主电路，驱动电路和主电路，是主电路电流流出电力电子器件的端子是主电路电流流出电力电子器件的端子控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成39是构成电力电子设备的核心，电力电子技术的基础是构成电力电子设备的核心，电力电子技术的基础作为开关元件的作为开关元件的要求：要求：开关速度快、承受电流开关速度快、承受电流/电压能力大，工作损耗小电压能力大，工作损耗小。理想状态：理想状态：截止时截止时能承受能承受高电压高电压且且漏电流漏电流要小；要小；导通时导通时能流过能流过大电流大电流和很低的和很低的管压降管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损在开关转换时，具有短的开、关时间；