电力电子技术的发展史课件.pptx

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1、第第1 1章章 绪论绪论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*本PPT参考王兆安等编著的电力电子技术第五版配套课件资源*1/21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力电力领域的领域的电电子子技术。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” 有有区别区别于于“电力系电力系统统”所指的所指的“电力电力” ，后者特指电力网的，后者特指电力网的“电力电力” ，前，前者则更一般些。者则更一般些。 电子技术电子

2、技术包括包括信息电子技术信息电子技术和和电力电子技术电力电子技术两大分支。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。技术。 电力电子技术电力电子技术又分为又分为电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术和和变流技术。变流技术。 1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术2/211.1 1.1 什么是什么是电力电子技术电力电子技术具体地说，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。 电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术是电

3、力电子技术的基础。是电力电子技术的基础。 变流技术变流技术则是电力电子技术的核心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 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1-1 电力变换的种类3/211.1 1.1 什么是什么是电力电子技术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学电力学、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1-1 描述电力电子学的倒三角形4/211.1 1.1

4、什么是什么是电力电子技术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 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制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（都是基于造技术的理论基础（都是基于半导体理论半导体理论）是一样的，）是一样的，其大多数工艺也是相同的。其大多数工艺也是相同的。 电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致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。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，这是电力电子学和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。电力学的主要关系。

5、5/211.1 1.1 什么是什么是电力电子技术电力电子技术 各种电力电子装置广泛应用于高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磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内国外中，因此，无论是国内国外， 通常通常都都把把电力电子技术电力电子技术 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。图个二级

6、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。气工程一级学科内各二级学科的关系。 6/211.1 1.1 什么什么是电力电子技术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 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。电力电子技术可以看成是弱

7、电控制强电的技需求。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技术的基础元件和重要支撑技术。础元件和重要支撑技术。 7/211.2 1.2 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一般认为，

8、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。8/211.2 1.2 电力电子技术的发展史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。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年出现了年出现了电子管电子管，它能在真空中对电子流进行控制，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。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工业、广

9、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，也应用直流直流发电机组发电机组来变流。来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了电子引发了电子技术的一场革命。技术的一场革命。 9/211.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸

10、管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快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，属于关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电路的控制方式。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称主要是相位控制方式，简称相控方式相

11、控方式。晶闸管的关断通常。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。受到了很大的局限。10/211.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 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（BJT）和和电力场效应晶体管（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

12、。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，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合复合型器件型器件异军突起。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（

13、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。11/211.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在一起，集成在一起，构成构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发，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展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成技术混合集成技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路

14、的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，软开关技术软开关技术的应用在理的应用在理论上可以使电力电子器件的论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了降为零，从而提高了电力电子装置的电力电子装置的功率密度功率密度。 12/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 电力电子技术电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工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

15、及其他领系统、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。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，都是用电力电子装，都是用电力电子装置进行调速的。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。 13/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图1-4 西门子变频器及 直流调速器有些并不特别要求调速的电机为了避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

16、装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。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。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及直流电弧炉电源等场合。14/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 交通运输交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中

17、的直流机车中采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，车辆中的各种引电机传动外，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动控制，其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，其蓄蓄电池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

18、多控制电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。15/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势在长距离、大容量输电时有很大的优势(远距离、大容量、电网

19、联络、远距离、大容量、电网联络、系统控制系统控制)，其送电端的，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用晶闸管变流装置，而轻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型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。也是依靠电力电子装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发静止无功发生器（生器（SVG）、有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统等电力电子装置

20、大量用于电力系统的的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬。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，以进行时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制电能质量控制，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，给蓄电池充电等在变电所中，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。都需要电力电子装置。 16/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用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电源供电。各种电子装置一

21、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流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源高频开关电源。大型。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用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，不间断电供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。源实际就是典型的

22、电力电子装置。17/211.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。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，空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、电冰箱、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 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

23、子技术。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。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。离不开电力电子技术。18/21应用应用领域领域 工业应用工业应用轧钢机轧钢机数控机床数控机床电解铝电解铝冶金工业冶金工业19/21应用领域应用领域 交通运输交通运输20/21应用领域应用领域 能源及电力能源及电力21/21家用电器家用电器数码产品数码产品计算机计算机应用领域应用领域 日常生活日常生活