电力电子技术第五版.ppt

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1.1 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 电力电子技术就是应用于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 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” 电子技术包括信息电子技术电子技术包括信息电子技术(模拟电子技术模拟电子技术和数字电子技术和数字电子技术)和电力电子技术两大分支和电力电子技术两大分支2/211.1 什么是电力电子技术什么是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 电力电子器件是电力电子技术的基础电力电子器件是电力电子技术的基础 变流技术则是电力电子技术的核心变流技术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 3/21表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类1.1 什么是电力电子技术什么是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4/21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1.1 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子学电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术的理论和工艺与用于信电力电子器件的制造技术的理论和工艺与用于信息变换的电子器件制造技术相同息变换的电子器件制造技术相同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 5/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 电力电子技术与电气工程学科的关系电力电子技术与电气工程学科的关系 隶属于电气工程一级学科隶属于电气工程一级学科 电力电子技术的应用和发展必须依赖其它学科电力电子技术的应用和发展必须依赖其它学科 电力电子技术促进了其他学科的发展电力电子技术促进了其他学科的发展 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6/211.1 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 控制理论使电力电子装置和系统的性能不断满控制理论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需求。

足人们日益增长的各种需求 电力电子技术是弱电和强电之间的接口而控制电力电子技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理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带 控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电控制理论是自动化技术的理论基础，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子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术 7/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史8/21电力电子技术的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 电子管电子管(1904) ，在真空中对电子流进行控制，并应用，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 水银整流器水银整流器(1930s-1950s)，广泛用于电化学工业、电气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，也应用期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流 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术的一场革命 9/211.2 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 晶晶闸闸管管凭凭借借其其优优越越的的电电气气性性能能和和控控制制性性能能，很很快快就就取取代代了了水水银银整整流流器器和和旋旋转转变变流流机机组组，并并且且其其应应用用范范围围也也迅迅速速扩扩大大电电力力电电子子技技术术的的概概念念和和基基础础就就是是由由于于晶晶闸闸管管及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 晶晶闸闸管管是是通通过过对对门门极极的的控控制制能能够够使使其其导导通通而而不不能能使使其其关关断断的的器器件件，属属于于半半控控型型器器件件。

对对晶晶闸闸管管电电路路的的控控制制方方式主要是相位控制方式，简称式主要是相位控制方式，简称相控方式相控方式 晶晶闸闸管管的的关关断断通通常常依依靠靠电电网网电电压压等等外外部部条条件件来来实实现现 这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限10/211.2 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（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GTO11/211.2 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集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，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、混合集成混合集成技术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，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的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，软开关技软开关技术术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。

12/211.3 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电力电子技术的应用范围 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，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风机等近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避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐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感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合13/211.3 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：电气机车中的直流机车中采用电气化铁道：电气机车中的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，车辆中的各种键技术除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源辅助电源也也都离不开电力电子技术都离不开电力电子技术 电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车：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14/211.3 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 用户终端：用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有发达国家在用户使用的电能中，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：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用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的的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 电能质量提高：电能质量提高：晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管晶闸管投切电容器（投切电容器（TSC）、静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）、有源有源电力滤波器（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时在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等停电、瞬时电压跌落、闪变等 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 15/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用16/21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。