电力电子技术第1章 绪论课件

第1章绪论

1.1什么是电力电子技术

1.2电力电子技术的发展史

1.3电力电子技术的应用11.1什么是电力电子技术■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电力领域的电子技术。

☞电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”，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。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是二者本质上的不同。

21.1什么是电力电子技术◆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。

☞通常所用的电力有交流（AC）和直流（DC）两种。从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池和干电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行变换，变换的种类如表1-1所示。

输入输出

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流

直流斩波

交流（AC）交流电力控制变频、变相逆变

表1-1电力变换的种类31.1什么是电力电子技术■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51.1什么是电力电子技术☞电力电子技术和电子学

电力电子器件的制造技术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）是一样的，其大多数工艺也相同，二者同根同源。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的，只是二者应用目的不同。前者用于电力变换和控制，后者用于信息处理。6在信息电子电路中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态；而在电力电子技术中，为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，这成为电力电子技术区别于信息电子技术的一个重要特征。7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，通常都把电力电子技术归属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的分支。电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力，是电气工程这一相对古老学科保持活力的重要源泉。9在我国的学科分类中，电气工程是一个一级学科，它包含了五个二级学科即电力系统及其自动化、电机与电器、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。其中电力电子与电力传动是由电力电子技术与电力传动自动化两个二级学科合并而成。10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工程一级学科内各二级学科的关系。图1-2电气工程的双三角形描述11电气工程的发展越来越依赖于电子信息技术的进步，电气工程与电子信息工程二者是你中有我，我中有你，相互融合，这已成为科学技术发展的一种必然趋势。13电能是能源的一种，而且是使用、输送和控制最为方便的能源，也是人类研究较为充分的一种能源。在可以预见的将来，还没有一种能源有可能代替电能。而人类在任何时候都不可能离开能源，能源为人类提供动力，是人类永恒的研究对象。因此，人类如果关注能源，就必须关注电能，也就必须关注电气工程。14图1-2的小三角形中，电气工程内部结构由电工理论、电工制造及电力系统三部分有机组成。15电工制造包括发电机、电动机、变压器等电机设备的制造，也包括开关、用电设备等电器设备的制造，还包括电力电子设备的制造、各种电气控制装置的制造以及电工材料、电气绝缘等内容。电气装备的应用则是指上述设备和装置的应用。17电力系统的运行主要包括电力网的运行和控制、电气自动化以及各种电气装备和系统的运行等方面。显然，制造和运行是不可能截然分开的，电气设备在制造时必须考虑其运行，而电力系统是由各种电气设备组成的，系统的良好运行当然依靠良好的设备。18在电气工程的五个二级学科中，电力电子技术处于十分特殊的地位。电力电子技术和其它几个二级学科的关系都十分密切，甚至可以说，其它几个二级学科的发展都依赖于电力电子技术的发展。正是由于电力电子技术的迅速发展，才使电气功程保持着强大的活力。19有人预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。211.2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。221.2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。

23☞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。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，也应用电动机-直流发电机组来变流。☞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。在晶闸管出现以后的相当长一段时间内，所使用的电路形式仍然是这些形式。2526一个密封的铁罐下边底部盛着水银，就是阴极，上边顶部装有阳极，在阳极和阴极之间（接近水银）有栅极，也叫引弧极，阳极和栅极都经玻璃绝缘子引出。它的工作情况和可控硅非常相似，也是在阳极加有正电压时，由栅极触发，触发后，栅极至阴极形成一小电弧，小电弧在阴极面形成弧斑，弧斑具有极强的发射电子的能力，促使阳极至阴极导通，电流过零时熄灭，不过它的栅极触发可不像可控硅那样省电，它的触发功率有上百瓦，电压也要200~300伏。27

传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率的交流电？291.2电力电子技术的发展史☞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。

301.2电力电子技术的发展史◆晶闸管时代1956年美国贝尔实验室发明晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。31

☞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。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。321.2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。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。

331.2电力电子技术的发展史☞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。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置，它在逆变、直流斩波、整流、交流-交流控制等所有电力电子电路中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。

341.2电力电子技术的发展史

☞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）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。351.2电力电子技术的发展史☞最近十多年电力电子器件研制和应用中的一个共同趋势是模块化，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式。模块化可以缩小电力电子变换装置的体积，降低成本，提高可靠性，便于电力电子变换器的设计和研制。更重要的是，由于各开关器件之间的连线紧凑，减小了线路电感，在高频工作时可以简化对缓冲电路和保护电路的要求。

36达林顿三极管功率模块37MOSFET功率模块38AC-DC-AC变频功率模块39☞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。401.2电力电子技术的发展史☞目前电力电子集成电路的功率都还较小，电压也较低，它面临着电压隔离（主电路为高压，而控制电路为低压）、热隔离（主电路流过大电流发热严重）、电磁干扰（开关器件通断高压大电流，它和控制电路处于同一芯片）等几大难题。

☞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。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生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。

411.3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近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。

图1-4变频器■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。421.3电力电子技术的应用☞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。431.3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。44电机传动45NASA风洞风洞试验设备是一个国家航空航天事业发展的基础设施，对国家的航空航天事业、武器装备研制以及国民经济的发展发挥着非常重要的作用。NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)：美国国家航空航天管理局46富士高速机车471.3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）、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。

481.3电力电子技术的应用中国南方电网公司安顺换流站静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）49未来电力系统501.3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