电力电子技术第1章绪论

1、1-431By LI Wen-leiCollege of Information Science & Engineering, Ningbo University2-432关于本课3-433电路电子技术基础电力电子技术电力拖动自动控制系统/运动控制系统4-434 教科书教科书王兆安，刘进军 主编 电力电子技术(第5版) 北京：机械工业出版，2009. 参考书参考书 1)贺益康，潘再平编电力电子技术北京：科学出版社，2004.4 2)石玉，电力电子技术题例与电路设计指导，机械工业出版社，2000 3)李序葆、赵永健编，电力电子器件及其应用，机械工业出版社，1996 网络课程网络课程：ht

2、tp:/ 讲授讲授-42 学时 实验实验- 6 个, 17学时教学安排教学安排5-435实验实验: 30%,平时平时 20%，期末，期末 50% 成绩评定成绩评定联系方式联系方式Email：; 短号：短号：612298 注：注：1. 1. 当次未交作业的需要在下一次交作业时当次未交作业的需要在下一次交作业时补交（重修、自学补交（重修、自学+ +辅导除外），平时成绩公示辅导除外），平时成绩公示后作业无特殊原因不能再补交和更改；后作业无特殊原因不能再补交和更改；2.2.当次未作实验的如当周有另一组做实验的可以当次未作实验的如当周有另一组做实验的可以补，下一周因器材换了不能补，补，下一周因器材换了不

3、能补，6-436绪 论7-4371 什么是电力电子技术8-438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1.1 电力电子与信息电子9-4391.2 两大分支10-4310 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。 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变换的种类逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流 输出 输入1.2 两大分支11-4311 电力电子学电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现。 1974年，美国的W. Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍

4、接受。电力电力电子学电子学电子学电子学电力学电力学控制控制理论理论连续、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1.3 与相关学科的关系12-43121.3 与相关学科的关系13-43131.3 与相关学科的关系14-4314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。1.3 与相关学科的关系15-43151.4 地位和未来16-4316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及功率集成器件出现和发展

5、时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生2 电力电子技术的发展史该设备被包于蒜头型玻璃容器或大金属桶。 一个阴极淹没在水银池的底部，多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。 可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。 当电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时，电子束将可藉电离化的水银，由阴极流向阳极，但无法反向。 这些设备可用于数百千瓦等级的功率。 从1970年代中期起，被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。 17-4317一般工业一般工业：交通运输交通运输：电力系

6、统电力系统：电子装置电源电子装置电源：家用电器家用电器：其他其他：3 .1电力电子技术的应用18-4318轧钢机数控机床冶金工业电解铝1 1）一般工业）一般工业3 .1 电力电子技术的应用19-43192）交通运输交通运输3 .1电力电子技术的应用20-43203）电力系统电力系统高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS3 .1电力电子技术的应用21-43213 .1电力电子技术的应用电力电子技术的应用中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站静止无功发生器（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）22-43224）电子装置用电源电子装置用电源程控

7、交换机微型计算机3 .1电力电子技术的应用23-43235 5）家用电器）家用电器3 .1电力电子技术的应用24-43246 6）其他）其他大型计算机的UPS新型能源3 .1电力电子技术的应用25-43253.2 电力电子技术的应用示例26-4326Industrial applications-Motor Drive 直流电动机（直流电动机（DC Electromotor）有良好的调速性能，）有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源（给其供电的可控整流电源（Controlled Rectifying Power Supply）或直流斩波电源（）或直流斩波电源（DC Chopping Powe

8、r Supply）都是电力电子装置）都是电力电子装置直流电动机直流电动机可控整流电源可控整流电源27-4327近年来电力电子近年来电力电子变频技术变频技术（Frequency Inversion Technique）的迅速发展，使）的迅速发展，使交流电机交流电机（AC Electromotor）的调速性能可与直流电机媲美，的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术交流调速技术（AC Speed Control Technique）大量应用并占据主导地位。如几百）大量应用并占据主导地位。如几百W W到到数千数千kWkW的变频调速装置，软起动装置等。的变频调速装置，软起动装置等。交流电机交流电机In

9、dustrial applications-Motor Drive28-4328u+Electrolysis(电解电解)u+Electroplating(电镀电镀) u+Induction heating(感应加热感应加热 )u+Welding (焊接焊接) u+Arc furnaces and ovens(电电弧炉弧炉) u+ Lighting(照明照明)Industrial applications电化学工业大量使用直流电源电化学工业大量使用直流电源（DC Power Supply），如电解），如电解铝、电解食盐水等。电力电子技术铝、电解食盐水等。电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中

10、还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源；淬火电源及直流频感应加热电源；淬火电源及直流电弧炉电源等场合需要大容量整流电弧炉电源等场合需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源电源。电镀装置也需要整流电源（Rectifying Power Supply）29-4329u+ Trainslocomotivesu+ Subwaysu+ Trolley buses(有轨汽车有轨汽车)u+ Magnetic levitationu+ Electric vehicles(电动飞行电动飞行器器)u+ Automotive electronics(汽汽车电子车电子)u+ Ship power system

11、su+ Aircraft power systemsTransportation applications30-4330Transportation applications 电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变变频装置频装置（Frequency Inverter）。）。直流斩波器直流斩波器（DC Chopper）也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，）也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，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

12、技术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磁悬浮列车31-4331Transportation applications电动汽车的电机靠电力电子装置进行电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换电力变换（Power Conversion）和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力）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，它们也要电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠靠变频器变频器（Frequency Inverter）和）和斩波器斩波器（Chopper）驱动并控制驱动并控制. .飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都飞机、

13、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离不开电力电子技术32-4332Transportation applications如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。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交流变频调速（AC Speed Control by Frequency Variation）已成为主流）已成为主流. .33-4333Utility systems applications高 压 直 流 输 电高 压 直 流 输 电 （ H V D C

14、 Transmission）在长距离、在长距离、大容量输电时有很大的优势，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。逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的近年发展起来的柔性交流输电柔性交流输电（Flexible AC TransmissionFACTS）也是依靠电力电子）也是依靠电力电子装置才得以实现的。装置才得以实现的。34-4334Utility systems applications无功补偿和谐波抑制无功补偿和谐波抑制（ VAR Compensate and Harmonic Control）对电力系统有重要的意义。对

15、电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器（Thysistor Controlled ReactorTCR）、）、晶闸管投切电晶闸管投切电容器容器（ Thysistor Controlled CapacitorTSC）都是重）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器静止无功发生器（Static VAR GeneratorSVG）、）、有源电力滤波器有源电力滤波器（Active Power FilterAPF）等新型电力电子装置具有更为优越的）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无功功率和谐波补偿（VAR and Harmonic

16、 Compensate）的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网的性能。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，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蓄电池充电等都需要电力电子装置35-4335Power supplies for electronic equipment(电子装置用电源电子装置用电源)不间断电源不间断电源（Uninterruptable Power

17、 SystemUPS）在现代社会中的）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子在电力电子产品中已占有相当大的份额。产品中已占有相当大的份额。UPS主要分为两大类三种形式：主要分为两大类三种形式：一类是后备式，另一类是在线一类是后备式，另一类是在线式，还有一种介于式，还有一种介于 两者之间的两者之间的在线互动式。在线互动式。36-4336Power supplies for electronic equipment(电子装置用电源电子装置用电源)线性电源与开关电源线性电源与开关电源从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低

18、，可以达到很高从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹较小，自身的干扰和噪声都比较小，但因为工作在工频的稳定度，波纹较小，自身的干扰和噪声都比较小，但因为工作在工频,变变压器的体积比较大压器的体积比较大,效率偏低效率偏低(一般满载工作的效率只有一般满载工作的效率只有80%左右左右)整体体积整体体积较大，显得较笨重，且输入电压范围要求高；而开关电源是工作的高频状较大，显得较笨重，且输入电压范围要求高；而开关电源是工作的高频状态态,变压器的体积比较小变压器的体积比较小,相对比较轻便相对比较轻便,但是输出纹波较线性电源要大但是输出纹波较线性电源要大,但因但因结构

19、简单结构简单,成本低成本低,效率高效率高(市面上的开关电源的效率也可达市面上的开关电源的效率也可达90%以上以上)在很多在很多场合已经替代了线性电源场合已经替代了线性电源,是未来电源发展的趋势。是未来电源发展的趋势。37-4337Residential and home appliances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，通常被称为源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能节能灯灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯白炽灯是第一代电光源白炽灯是

20、第一代电光源, ,价格低价格低使用方便使用方便, ,但发光效率低但发光效率低, ,寿命短寿命短, ,显色指数低显色指数低. .节能灯高节能灯高效节能光效节能光色柔和是色柔和是绿色光源绿色光源LED38-4338Residential and home appliances照明方式照明方式特点特点白光白光 LED热源少、操作环境广、小型化、耐震热源少、操作环境广、小型化、耐震动、光束集中动、光束集中日光日光 灯灯/电子荧光灯电子荧光灯 萤光灯省电、但废弃物易碎有汞污染萤光灯省电、但废弃物易碎有汞污染等问题等问题白炽钨丝灯泡白炽钨丝灯泡低效率、高耗电、寿命短、易碎低效率、高耗电、寿命短、易碎39-

21、4339市电源由VD1VD4整流整流、C1滤波后形成300V左右的直流电压。由R6、C3、VD9组成启动电路启动电路，由T1、T2、C4、C2、高频变压器和L组成高频自高频自激振荡电路激振荡电路，T1、T2在高频变压器控制下周而复始地导通截止，形成高频振荡，使灯管得到高频高压供电。为了满足启动点亮灯管所需的电压，电路设置了主要由C2和L等元件组成的串联谐振电路串联谐振电路。VD6、VD7的作用分别是防止反向峰值电压击穿T1、T2。R3、R4为负反馈电阻，用于T1、T2的过流保护。节能灯原理节能灯原理-节能灯原理图节能灯原理图40-4340220V电源供电电源供电, 220V交流电经交流电经C1

22、降压电容降压后经降压电容降压后经全桥整流再通过全桥整流再通过C2滤波后经限流电阻滤波后经限流电阻R3给串联的给串联的38颗颗LED提供恒流电源提供恒流电源.LED的额定电流为的额定电流为20mA LED灯原理图灯原理图41-4341 变频空调器（变频空调器（Frequency Conversion AirCondition）是家用电器中应用电力电子是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波有些洗衣机

23、、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子炉等电器也应用了电力电子技术。技术。Residential and home appliances42-4342传统的发电方式是传统的发电方式是火力发电火力发电（Thermal power）、）、水力发电水力发电（Waterpower）以及后来兴起的核能）以及后来兴起的核能发 电 。 能 源 危 机 后 ， 各 种发 电 。 能 源 危 机 后 ， 各 种 新 能 源新 能 源 （ N e w Energy）、可再生能源可再生能源（Reproducible Energy）及新型发电方式越来越受到重视。及新型发电方式越来越受到重视。 为了合理地利用为了合理地

24、利用水力发电水力发电（Waterpower）资源，）资源，近年来近年来抽水储能抽水储能发电站受到重视。其中的大型电发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储超导储能能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电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。源供电，这也离不开电力电子技术。New Energy generation applications43-43434 MW Solar Park, Hemau, GermanySolar energy PV power generation system 44-4344Wind power generation45-4345电力电子技术的应用电力电子技术的应用新能源、可再生能源发电新能源、可再生能源发电 比如风力发电、太阳能发电，比如风