电力电子技术第1章绪论

1、电力电子技术第1章 绪论 引言引言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电力电子技术的发展史史 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介引言研究电力电子技术的意义引言研究电力电子技术的意义缓解三大危机的重要技术手段缓解三大危机的重要技术手段三大危机：能源危机、资源危机和环境危机三大危机：能源危机、资源危机和环境危机。能源危机能源危机 环境破坏环境破坏 沙漠化沙漠化 引言研究电力电子技术的意义引言研究电力电子技术的意义解决途径解决途径可再生能源（可再生能源（太阳能、风能太阳能、风能、潮汐能、地、潮汐能、地热能）、新能

2、热能）、新能源（燃料电池源（燃料电池等）；等）；高效率和高品高效率和高品质的用电。质的用电。技术手段技术手段电力电子技术电力电子技术100kW Photovoltaic Array and 10kW Wind Turbine in Beverly, MA引言研究电力电子技术的意义引言研究电力电子技术的意义 世界各国对电力电子技术都世界各国对电力电子技术都十分重视。例如美国十分重视。例如美国1998年年9月月批准，由美国国家科学基金会批准，由美国国家科学基金会（National Science Foundation）投资建立了美国电力电子系）投资建立了美国电力电子系统中心统中心CPES（Cent

3、er for Power Electronics System），它包括），它包括5所大学、所大学、10多个研究所和多个研究所和50多多个公司，第一期投资就达个公司，第一期投资就达6300万美元。美国政府已经把发展万美元。美国政府已经把发展电力电子技术提升到跨实际国电力电子技术提升到跨实际国策的战略高度。策的战略高度。李泽元教授李泽元教授（Fred C Lee）美国电力电子系统中心美国电力电子系统中心(CPES)主任主任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的概念电力电子技术的概念 电力电子技术是应用于电力电子技术是应用于电力电力领域的领域的电子电子技术。技术。电子技术电子技

4、术信息电子技术信息电子技术电力电子技术电力电子技术模拟电子技术、模拟电子技术、数字电子技术数字电子技术电力电子器件制电力电子器件制造技术造技术变流技术变流技术电力电子技术就是使用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，向用户提供适合其的技术，向用户提供适合其负载的最佳电压和电流。负载的最佳电压和电流。1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术为什么要对电能进行变换和控制？为什么要对电能进行变换和控制？输入电源种类和输出形式输入电源种类和输出形式l 通常所用的输入电源有交流和直流两种通常所用的输入电源有交流和直流两种从公用电网直接得到的是固

5、定频率的某一标准从公用电网直接得到的是固定频率的某一标准等级的单相或三相交流电源等级的单相或三相交流电源而从蓄电池和干电池得到的是直流电源而从蓄电池和干电池得到的是直流电源但是用电设备的类型、功能却是千差万别的，对电但是用电设备的类型、功能却是千差万别的，对电能的电压、频率要求各不相同能的电压、频率要求各不相同1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术例举例举l 普通的白炽灯照明需要普通的白炽灯照明需要220V50Hz（或（或110V60Hz）单）单相交流电相交流电；l 机械工业中的感应加热设备必须由机械工业中的感应加热设备必须由中频或高频交流电中频或高频交流电源源供电；供电；l 化学工业中

6、的电解、电镀由化学工业中的电解、电镀由低压直流电源低压直流电源供电；供电；l 地铁要求有地铁要求有可控的高压直流电源可控的高压直流电源对机车供电；对机车供电；l 通信设备如程控交换机需要通信设备如程控交换机需要48V低压大电流的直流电低压大电流的直流电源源；l 要求调速的直流电动机需要要求调速的直流电动机需要可变的直流电压源可变的直流电压源供电；供电；l 蓄电池的充电设备要求有蓄电池的充电设备要求有大功率脉冲电源大功率脉冲电源。 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术为什么要对电能进行变换和控制？为什么要对电能进行变换和控制？总的来说，输出有以下两种形式：总的来说，输出有以下两种形式：直

7、流直流幅值恒定的稳压输出；幅值恒定的稳压输出；幅值可调的稳压输出。幅值可调的稳压输出。交流交流频率固定、幅值可调的交流输出；频率固定、幅值可调的交流输出；频率及幅值均可调的交流输出。频率及幅值均可调的交流输出。由于从电源得到的电力往往不能直接满足负载（由于从电源得到的电力往往不能直接满足负载（或用电设备）的要求，因此需要进行电力变换。或用电设备）的要求，因此需要进行电力变换。1.电力变换是指在电源和负载之间进行电压（电流电力变换是指在电源和负载之间进行电压（电流）的大小、频率、波形、相位及相数的变换。）的大小、频率、波形、相位及相数的变换。1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 输入输入

8、 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 n 电力变换的种类电力变换的种类按照电力电子变换器输入输出端电能的形态（频按照电力电子变换器输入输出端电能的形态（频率），电力变换器可分为四大类率），电力变换器可分为四大类：1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术n 电力变换器的基本电路和工作原理电力变换器的基本电路和工作原理 （1）电力变换器电力变换器基本电路结构基本电路结构输出电压输出电压ud的波形的波形说明说明交流直流交流直流（整流）（整流）利用开关利用开关S1S4的导通和

9、关断的的导通和关断的组合，可将交流组合，可将交流变换为直流。若变换为直流。若控制开关导通的控制开关导通的时间，便可改变时间，便可改变直流电压（平均直流电压（平均值）的大小。值）的大小。典型应用典型应用直流电源直流电源直流输电直流输电直流电动机驱动直流电动机驱动水泵水泵隧道通风机隧道通风机电热控制电热控制Ru2udS1S3S2S4ttS1S4S1S4S2S3S2S31.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术n 电力变换器的基本电路和工作原理电力变换器的基本电路和工作原理 （2）电力变换器电力变换器基本电路结构基本电路结构输出电压输出电压ud的波形的波形说明说明交流交流交流交流（交流电力（交流电

10、力控制）控制）控制开关控制开关S1、S2的导通时间，便的导通时间，便可改变输出交流可改变输出交流电压（有效值）电压（有效值）的大小。的大小。典型应用典型应用调光装置调光装置无功补偿装置无功补偿装置交流电动机控制交流电动机控制交流电压稳压器交流电压稳压器风机风机电梯控制电梯控制电热控制电热控制u2udS1S2RtS1S1S2S21.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术n 电力变换器的基本电路和工作原理电力变换器的基本电路和工作原理 （3）电力变换器电力变换器基本电路结构基本电路结构输出电压输出电压ud的波形的波形说明说明直流直流直流直流（斩波）（斩波）控制开关控制开关S的导的导通和关断，便可

11、通和关断，便可改变输出直流电改变输出直流电压（平均值）的压（平均值）的大小。大小。典型应用典型应用开关稳压器开关稳压器斩波型电车斩波型电车电池叉车电池叉车直流伺服电动机直流伺服电动机EudSRtS导通ES关断1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术n 电力变换器的基本电路和工作原理电力变换器的基本电路和工作原理 （4）电力变换器电力变换器基本电路结构基本电路结构输出电压输出电压ud的波形的波形说明说明直流交流直流交流（逆变）（逆变）利用开关利用开关S1S4的导通和关断的的导通和关断的组合，可将负载组合，可将负载电压值控制在正电压值控制在正负范围，并可改负范围，并可改变负载电压的频变负载电压

12、的频率和大小。率和大小。典型应用典型应用电子镇流器电子镇流器变频空调变频空调逆变型电车逆变型电车交流电动机驱动交流电动机驱动不间断电源不间断电源UPSUPS无功功率补偿装无功功率补偿装置置感应加热器感应加热器太阳能电池、太阳能电池、燃料电池用电源燃料电池用电源隧道通风机隧道通风机udS1S3S2S4ERtEtS1S4S2S31.1 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。电力电子学的倒三角形电力电子学的倒三角形1.1

13、什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术与相关学科的关系电力电子技术与相关学科的关系 电力电子技术电力电子技术电力系统电力系统电磁学电磁学电子学电子学信号处理信号处理控制理论控制理论电路理论电路理论固态物理学固态物理学仿真与计算仿真与计算电机学电机学高度交叉的边缘学科高度交叉的边缘学科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 电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电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。而控制理论则是实现这种接口的一和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。条强有力

14、的纽带。主电路主电路（电力电子装置）（电力电子装置）控制电路控制电路检测检测信号信号参考参考信号信号控制信号控制信号负载负载驱动电路驱动电路电源电源输出输出功率功率输入输入功率功率检测电路检测电路强电强电弱电弱电18/211.2 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 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。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用n 电力电子技术正广泛应用于一般工业、交通运输电力电子技术正广泛应用于一般工业、

15、交通运输、电力系统、家用电器、新能源系统等许多领域、电力系统、家用电器、新能源系统等许多领域 n 为什么电力电子技术能应用于这么多领域呢？为什么电力电子技术能应用于这么多领域呢？ 电力电子技术可以实现下面一些要求：电力电子技术可以实现下面一些要求： 增强功能；增强功能；提高性能；提高性能；高效率；高效率；高可靠性；高可靠性；体积小、重量轻、价格低。体积小、重量轻、价格低。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域一般工业一般工业 在交流传动中的应用在交流传动中的应用 特点特点高性能、节能。高性能、节能。 原理原理利用变频调速技术取代传统的直流传动系统利用变频调速技术取代传统的

16、直流传动系统数控机床数控机床 轧钢机轧钢机 冶金工业冶金工业1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域交通运输交通运输 运输机械：运输机械：电动车电动车电气机车电气机车内燃机内燃机地下铁道地下铁道轻轨机车轻轨机车无轨电车无轨电车磁悬浮列车磁悬浮列车电梯电梯1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用直流电源直流电源M直流电压直流电压控制控制直流直流电动机电动机斩波电路斩波电路tv直流电源直流电源M交流频率交流频率控制控制异步异步电动机电动机tv逆变电路逆变电路a）切换电阻方式）切换电阻方式b）斩波电路方式）斩波电路方式c）逆变电路方式）逆变电路方式直流电源直流电源M直流电压直

17、流电压控制控制直流直流电动机电动机电阻切换箱电阻切换箱tv 电车的调速控制方式电车的调速控制方式1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域电力系统电力系统 高压直流输电高压直流输电 优点：优点：造价及运行费用低（绝缘要求低、损造价及运行费用低（绝缘要求低、损耗小、导电材料省）耗小、导电材料省）易于用于海底及地下输电易于用于海底及地下输电可实现交流电网之间的非同期联网（可实现交流电网之间的非同期联网（无稳定性问题、区域故障不会扩大、无稳定性问题、区域故障不会扩大、易于潮流控制、不同频电网的连接）易于潮流控制、不同频电网的连接）可交直流并联输电（提高输电能力）可交直流并联输电（提

18、高输电能力）高压直流装置高压直流装置HVDCHVDC1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 高压直流输电系统电路图高压直流输电系统电路图原理：发电机变压器升压整流直流输电线逆变负载原理：发电机变压器升压整流直流输电线逆变负载1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域电力系统电力系统 电力有源滤波器电力有源滤波器 特点可动态消除电网特点可动态消除电网的任意次谐波，且体积的任意次谐波，且体积小、重量轻。小、重量轻。 原理在线检测出电网原理在线检测出电网的动态谐波大小，通过的动态谐波大小，通过逆变器产生与电网的动逆变器产生与电网的动态谐波大小相等、方向态谐波大小相等、方向相反

19、的谐波注入电网，相反的谐波注入电网，抵消电网的谐波。抵消电网的谐波。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域电力系统电力系统 交流柔性输电技术（交流柔性输电技术（FACTS） FACTS技术为增强输电系统提供了新的手段。技术为增强输电系统提供了新的手段。 定义：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功定义：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、潮流等的灵活控制，将原基本不压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变

20、得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高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。提高。 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 交流柔性输电基本设备交流柔性输电基本设备l 柔性电气开关技术柔性电气开关技术l 超导储能系统超导储能系统l 分布式电源系统分布式电源系统l 抽水蓄能系统抽水蓄能系统l 变频励磁系统变频励磁系统l 动态无功功率补偿（动态无功功率补偿（SVC）l 静止调相机（静止调相机（STATCOM）l 次同步振荡阻尼器（次同步振荡阻尼器（ NGH ）l 可控

21、串联补偿器（可控串联补偿器（TCSC）l 可控静止移相器（可控静止移相器（TCPS）l 综合潮流控制器（综合潮流控制器（UPFC）l 可控制动电阻（可控制动电阻（TCBR）l 动态电压限制器（动态电压限制器（DVL）l 固态断路器（固态断路器（SSCB）l 超导储能（超导储能（SMES）1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域新能源系统新能源系统 各种新能源、可再生能源及新型发电方式各种新能源、可再生能源及新型发电方式 抽水储能发电站抽水储能发电站 超导储能超导储能 核聚变核聚变 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域新能源系统新能源系统 太阳光太阳光

22、太阳能太阳能收集板收集板电压调电压调节电路节电路蓄电池蓄电池逆变器逆变器负载负载公用公用电网电网（a）太阳能发电）太阳能发电l 特点可再生、开发利用比较简单，无污染物排放。特点可再生、开发利用比较简单，无污染物排放。l 发展状况世界各国都正在发展发展状况世界各国都正在发展太阳能发电太阳能发电1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域新能源系统新能源系统 l 特点：可再生、开发利用比较简单，无污染物排放。特点：可再生、开发利用比较简单，无污染物排放。l 原理：风力机变速发电机整流逆变工频电网（负载）原理：风力机变速发电机整流逆变工频电网（负载） 风力发电风力发电1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域家用电器家用电器 在绿色照明中的应用在绿色照明中的应用 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一例子之一+- -滤滤波波器器交流电动机交流电动机压缩机压缩机交流电源交流电源整流电路整流电路逆变电路逆变电路1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用应用领域应用领域各种电源各种电源 在大中小开关功率电源中的应用在大中小开关功率电源中的应用 特点效率高、体积小、重量轻。特点效率高、体积小、重量轻。 原理用开关变换电源代替线性电源。原理用开关变换电源代替线