电力电子技术：第一章 绪论

1、电力电子技术Power Electronics1 什么是电力电子技术2 电力电子技术的发展史 电力电子技术的应用 电力电子技术的研究内容 电力电子技术的研究、学习方法 课程内容简介绪 论21.1 电力电子与信息电子1.2 两大分支1.3 与其他学科的关系1.4 地位和未来1 什么是电力电子技术3信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换两者目的不同电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。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电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即 应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器

2、件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.1 电力电子与信息电子4 变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。1.2 两大分支 电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。5 电交流和直流两种问题：什么是交流电？什么是直流电？ 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。 电力变换四大类 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 进行电力变换的技术称为 变流技术。逆

3、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 变流技术61.3 与相关学科的关系电力电子学 美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。图1-1 描述电力电子学的倒三角形7都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 与电子学（信息电子学）的关系1.3 与相关学科的关系81.3 与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电

4、力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。 与电力学（电气工程）的关系91.3 与相关学科的关系 各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电 图1-2 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，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图1-2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科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气

5、工程一级学科内各二级学科的关系。 10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。 与控制理论（自动化技术）的关系1.3 与相关学科的关系11电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成 为未来科学技术的两大支柱。计算机 人脑 电力电子技术 消化系统和循环系统 电力电子运动控制 肌肉和四肢当今，经过变换处理后再供用户使用的电能在全国总发电量中所占的百分比值，已经成为衡量一个国家技术进步的主要标准之一。二十世纪末期，美国发电站生产的电能40以上都是经过变换和处理后才供负

6、载使用的，预计到21世纪二、三十年代，美国发电站生产的全部电能都将经过变换和处理后供负载使用。 1.4 地位和未来122 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图1-3 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1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。132 电力电子技术的发展史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。 1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。 20世纪30年代到50年代，水银整流器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

7、。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。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。 142 电力电子技术的发展史晶闸管时代 晶闸管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的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的

8、应用受到了很大的局限。152 电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。 在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和

9、集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。162 电力电子技术的发展史把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成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，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。 17半控型器件全控型器件复合型器件功率集成电路相位控制PWM控制软开关技术器件的发展控制技术的发展2 电力电子技术的发展史183 电力电子技

10、术的应用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。 19一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿、有源滤波电子装置电源： 为信息电子装置提供动力家用电器： “节能灯”、变频空调其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置3 电力电子技术的应用3 电力电子技术的应用一般工业 工业中大量应用各种交直流电动机，都是用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

11、近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。 有些并不特别要求调速的电机为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电力电子装置。 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。 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场合。 213 电力电子技术的应用图1-4 AB变频器轧钢机数控机床冶金工业电解铝223 电力电子技术的应用交通运输 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。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技

12、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。 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，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。232）交通运输3 电力电子技术的应用3 电力电子技术的应用电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 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，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年

13、发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。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。 253 电力电子技术的应用图1-5 中国南方电网公司安顺换流站图1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）263）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FA

14、CTS3 电力电子技术的应用273 电力电子技术的应用电子装置用电源 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。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高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。284）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机3 电力电子技术的应用293 电力电子技术的应用家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能

15、源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能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。305）家用电器3 电力电子技术的应用311.3 电力电子技术的应用总之，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量。当需要和电力系

16、统联网 时，更离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。图1-7 风场总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。3 电力电子技术的应用33从技术层看电力电子的研究内容从技术层面来看电路结构研究控制技术

17、研究电磁兼容研究装置与系统研究4 电力电子技术的研究内容34绪35研究的内容研究的角度电路结构研究如何实现希望的电能变换如何提高变换器的性能如何提高变换的效率如何提高变换的功率各种电力电子器件的应用和连接结构多种电路方案的性能比较研究软开关、新结构器件串、并联电路串、并联多相多重多电平绪36研究的角度研究的内容控制技术研究如何产生电路所希望的控制信号如何提高变换器的性能如何提高变换的效率如何实现智能化模拟PWM信号数字PWM信号模型的建立静态指标、动态指标、稳定性分析与校正新的PWM信号数字化、网络化绪37研究的内容研究的角度电磁兼容研究如何减小干扰源滤波、屏蔽、布线、布局如何减小耦合途径敏感

18、对象对干扰的敏感度是多少缓冲、吸收开关电路产生电磁干扰的机理软开关噪声和电磁波对设备和生物影响研究绪38研究的内容研究的角度装置与系统系统的最优结构与协调运行故障监测与诊断经济性、可靠性新的应用领域新的设计与制造思路和技术冗余 集成 模块化复杂系统问题其他问题如何用现有电路组合或设计新的电路以适应新领域的应用要求功率因数校正39从应用面看电力电子的研究内容从应用层面来看开关型电力电子电源开关型电力电子补偿控制器绪40开关型电力电子电源电力系统中的远距离直流输电脉冲功率、回旋加速器、超导磁体、激光、磁悬浮等特种设备用电源通讯、计算机、控制领域中的各种直流和交流电源冶金领域中的感应加热电源牵引、驱

19、动、推进等电机用电源化工领域中的电解电镀电源材料领域中的焊接电源绪41开关型电力电子补偿控制器节点电压控制器瞬变电压抑制器谐波电压、电流补偿器有功功率补偿器无功功率补偿器阻抗补偿控制器42合理的简化 在概念清晰的前提下，恰当的运用合理的假定，可以使分析变得更简单。电路控制特性分析时可忽略谐波或把谐波看成扰动一个基波周期的分析时常常忽略开关过程一个开关过程的研究常常把电源或负载看成恒定电压源或恒定电流源5 电力电子技术的研究、学习方法43厚积薄发 电力电子技术是一门实践性、应用性很强的学科，没有一定时间的有效积累，就无法成为本学科的高水平人才。5 电力电子技术的研究、学习方法电力电子技术课程的相关知识复习基本的电路理论知识前续课程：“电路”、