西安交大电力电子技术ppt讲义第1章绪论.ppt

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1、第第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 1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介11.1 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 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子电子技术。技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技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。子技术都属于信息电

2、子技术。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”有区别有区别于于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力”，后者特指电，后者特指电力网的力网的“电力电力”，前者则，前者则更一般更一般些。些。21.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具具体体地地说说，电电力力电电子子技技术术就就是是使使用用电电力力电电子器件子器件 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。目目前前所所用用的的电电力力电电子子器器件件均均由由半半导导体体制制成成，也称也称电力半导体器件电力半导体器件。电电力力电电子子技技术术所所变变换换的的“电电力力”，功功率率可可以以大大到到数数百百兆兆瓦瓦

3、甚甚至至吉吉瓦瓦，也也可可以以小小到到数数瓦瓦甚甚至至毫瓦级。毫瓦级。信信息息电电子子技技术术主主要要用用于于信信息息处处理理，而而电电力力电电子子技技术术则则主主要要用用于于电电力力变变换换，这这时时二二者者本本质质上上的不同。的不同。31.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术通常所用的电力通常所用的电力交流和直流两种。交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流，从蓄电池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。和干电池得到的电力是直流。这些电源的电力往往不能直接满足要求，需要这些电源的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。（变流技术）进行电力变换。（变

4、流技术）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 表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类41.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术通常把电力电子技术分为电力电子器件的制造技术通常把电力电子技术分为电力电子器件的制造技术和变流技术和变流技术两个分支两个分支。电力电子器件的制造技术是电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础电力电子技术的基础。其理论基础是其理论基础是半导体物理半导体物理。变流技术也称为变流技术也称为电力电子器件的应用技术电力电子器件的应用技术，包括，包

5、括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，是电路进行控制的技术，是电力电子技术的核心电力电子技术的核心，其理论基础是其理论基础是电路理论电路理论。51.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子电子技术电力电子电子技术(电力电子学电力电子学)与其他学科的关与其他学科的关系系 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。图图1-1 描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形61.1 什么是电力电子技术什么是电

6、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电子子学学电电子子器器件件和和电电子子电电路路两两大大分分支支，分分别别与与电电力力电子器件和电力电子电路相对应。电子器件和电力电子电路相对应。电电力力电电子子器器件件的的制制造造技技术术和和用用于于信信息息变变换换的的电电子子器器件件制制造造技技术术的的理理论论基基础础（都都是是基基于于半半导导体体理理论论）是是一一样样的的，其大多数工艺也是相同的。其大多数工艺也是相同的。电电力力电电子子电电路路和和信信息息电电子子电电路路的的许许多多分分析析方方法法也也是是一一致致的。的。二二者者应应用用目目的的不不同同，前前者者用用于于电电力力控控制制

7、和和变变换换，后后者者用用于信息处理。于信息处理。在在信信息息电电子子技技术术中中，半半导导体体器器件件既既可可处处于于放放大大状状态态，也也可可处处于于开开关关状状态态；而而在在电电力力电电子子技技术术中中为为避避免免功功率率损损耗耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态。过大，电力电子器件总是工作在开关状态。71.1 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。子学和电力学的主要关系。“电力学电力学”这个术语这个术语在我国已不太应用，可用在我国已不太应用

8、，可用“电工科学电工科学”或或“电气电气工程工程”取代之。取代之。各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静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、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，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属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学科中的一个最为活跃的分支。科中的一个最为活跃的分支。81.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术在我国，电力

9、电子与电在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一力传动是电气工程的一个二级学科。图个二级学科。图1-2用用两个三角形对电气工程两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各电气工程一级学科内各二级学科的关系。二级学科的关系。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91.1 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 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，

10、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，是术，是弱电和强电之间的接口弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实。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。101.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电

11、子技术是电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术。在技术。在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。以计算机为核心的信息科学将是以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科世纪起主导作用的科学技术之一。学技术之一。电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成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。为未来科学技术的两大支柱。计算机就像人的大脑。电力电子技术就像人的消化系统计算机就像人的大脑。电力电子技术就像人的消化系统和循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网或其他和

12、循环系统。消化系统对能量进行转换（把电网或其他电源提供的电源提供的“粗电粗电”变成适合于使用的变成适合于使用的“精电精电”），再），再由以心脏为中心的循环系统把转换后的能量传送到大脑由以心脏为中心的循环系统把转换后的能量传送到大脑和全身。电力电子技术连同运动控制一起，还可比做人和全身。电力电子技术连同运动控制一起，还可比做人的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动。的肌肉和四肢，使人能够运动和从事劳动。电力电子技术在电力电子技术在21世纪中将会起着十分重要的作用，有世纪中将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。着十分光明的未来。111.2 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

13、发展史电力电子技术的发展史图图1-3 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。121.2 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。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，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

14、域的先河。力领域的先河。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，也应用这一时期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流。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，引发了引发了电子技术的一场革命。电子技

15、术的一场革命。131.2 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 晶闸管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使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础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不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，属于能使其关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电。对

16、晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式相控方式。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。现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。141.2 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）20世世纪纪70年年代代后后期期，以以门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管（GTO）、电电力力双双极极型型晶晶体体管管（BJT）和和电电力力场场效效应应晶晶体体管管（Power-MOSFET）为为代代表表的的全全控控型

17、型器器件件迅迅速速发发展展。全全控控型型器器件件的的特特点点是是，通通过过对对门门极极（基基极极、栅栅极极）的的控制既可使其控制既可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。采采用用全全控控型型器器件件的的电电路路的的主主要要控控制制方方式式为为脉脉冲冲宽宽度度调调制制（PWM）方方式式。相相对对于于相相位位控控制制方方式式，可可称称之之为为斩斩波波控控制制方方式式，简简称称斩斩控控方方式式。在在20世世纪纪80年年代代后后期期，以以绝绝缘缘栅栅极极双双极极型型晶晶体体管管（IGBT）为为代代表表的的复复合合型型器器件件异异军军突突起起。它它是是MOSFET和和BJT的的复复合合，综综合合了了两者

18、的优点。两者的优点。与与此此相相对对，MOS控控制制晶晶闸闸管管（MCT）和和集集成成门门极极换换流晶闸管（流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。151.2 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集成在一起，构成起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了电，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、混合集成技混合集成技术术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全

19、控型电力电子器件的不断进步，电力电子电随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的路的工作频率工作频率也不断提高，同时电力器件的开关损也不断提高，同时电力器件的开关损耗也随之增大。为减小开关损耗，软开关技术便应耗也随之增大。为减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关和零电流开关就是软开关的基运而生，零电压开关和零电流开关就是软开关的基本形式。本形式。软开关技术软开关技术的应用在理论上可以使电力电的应用在理论上可以使电力电子器件的子器件的开关损耗开关损耗降为零，也可使得开关频率得以降为零，也可使得开关频率得以进一步提高，从而提高了电力电子装置的进一步提高，从而提高了电力电子装置的功率密

20、度功率密度。161.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于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。等家用电器及其他领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，都是用电力电子装置进行调速的。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一些对调速性能要求不

21、高的大型鼓风机等近年来也采用了年来也采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。171.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为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，这种软起动装置软起动装置也是也是电力电子装置。电力电子装置。电化学工业大量使用电化学工业大量使用直流电源直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容电解铝、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量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电源。电力电子技术还大量用于冶金工电力电子

22、技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、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。淬火电源及直流电弧炉电源等场合。181.3 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。电气机车中的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直流机车中采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。直流直流斩波器斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电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，车辆力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆

23、中的各种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，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高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，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，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。191.3 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

24、户最终使用的电能中，有60%以以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的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，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而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展器件。近年发展起来的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也是依靠电力电子装置才得以实现的。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

25、电容器晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（静止无功发生器（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的等电力电子装置大量用于电力系统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。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，以进行网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控电能质量控制制，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，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。给蓄电池充电等都需要电力电子装置。2

26、01.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-5 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图图1-6 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）211.3 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源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的器件的高频开关电源高频开关电源。大型计算机所需的

27、工作电源、。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微型计算机内部的电源现在也都采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，不供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。间断电源实际就是典型的电力电子装置。221.3 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。能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。

28、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、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、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。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

29、子技术。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。231.3 电力电子技术的应用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。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电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网量。当需要和电力系统联网 时，更时，更离不开电力电子技术。离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和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。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，这也是电力电子要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。技术的用武之地。图图1-7 风场风场241.4 本教材的内容简介本教材的内容简介本教材的内容本教材的内容25