第1章電力電子技術(shù)概論

1、制作: 廖冬初 湖北工業(yè)大學(xué)聶漢平長(zhǎng)江大學(xué) 劉曉紅 湖南大學(xué)劉小蘭 鄭州大學(xué)2007-8-1電力電子技術(shù)Power Electronics目 錄1 電力電子技術(shù)概論2 電力電子器件3 DC/DC變換技術(shù)4 DC/AC變換技術(shù)6 AC/AC變換技術(shù)5 AC/DC變換技術(shù)7 軟開關(guān)技術(shù)概 要 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)主要研究如何利用電力電子器件高效實(shí)現(xiàn)電能的變換與控制的問(wèn)題. 本課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹典型電力電子裝置的電磁現(xiàn)象、基本工作原理、控制技術(shù)、設(shè)計(jì)與計(jì)算方法等.1 電力電子技術(shù)概論1-1 電力電子技術(shù)的概念 1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容 1

2、-3 電力電子技術(shù)發(fā)展概況 1-4 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1-5 課程教學(xué)計(jì)劃1-1 1-1 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念 模擬電子技術(shù)1-1-1) 信息電子技術(shù) 數(shù)字電子技術(shù) 如收音機(jī)、電視機(jī)中的調(diào)諧電路，信號(hào)測(cè)量中的濾波、放大電路 如對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算的數(shù)字電路等 信息電子技術(shù)提取、識(shí)別、處理小功率電信號(hào)中包含的信息， ?1-1 1-1 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念1-1-2) 電力電子技術(shù)變頻裝置 將電網(wǎng)輸入的交流電變換為直流電的裝置,如同步電動(dòng)機(jī)的直流勵(lì)磁電源,直流弧焊電源 將電網(wǎng)輸入的交流電變換為不同頻率的交流電,如變頻調(diào)速裝置處理信息?電源裝置1-1 1-1 電力

3、電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)高效地將輸入電能變換為 期望的另一種形式的電能直流電源、變頻電源等裝置的目的就是對(duì)電能本身進(jìn)行變換、控制變換后輸出的是另一種形式的電能輸出電能更有效更方便使用上述裝置特點(diǎn):1-1-3) 電力電子技術(shù)的特點(diǎn)輸入電功率輸出電功率反饋信號(hào)功率變換主電路負(fù)載控制電路參考信號(hào)電力電子裝置的典型結(jié)構(gòu) 1-1 1-1 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念1-1 1-1 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念1-1-3) 電力電子技術(shù)的特點(diǎn)以大功率電子器件為核心反饋信號(hào)的獲取、控制電路的物理實(shí)現(xiàn)都會(huì)涉及電子技術(shù) 按照一定的控制規(guī)律，確定對(duì)主電路中大功率電子

4、器件導(dǎo)通與關(guān)斷的控制。 以電能的變換與控制為研究對(duì)象 1-1 1-1 電力電力電子技術(shù)的概念電子技術(shù)的概念1-1-4) 電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(shù)是交叉學(xué)科電力電力電子學(xué)電子學(xué)電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)電力學(xué)控制控制理論理論連續(xù)、離散 電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)1974年美國(guó)學(xué)者W.Newell指出，電力電子技術(shù)是由電氣工程三大領(lǐng)域：電力技術(shù)、電子技術(shù)與控制理論結(jié)合形成的交叉學(xué)科。1-1 1-1 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念1-1-4) 電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程。如高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電機(jī)勵(lì)

5、磁、電加熱、高性能交直流電源等。1-1 1-1 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念1-1-4) 電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。電力電子裝置廣泛應(yīng)用于基于控制理論的自動(dòng)化系統(tǒng)，是自動(dòng)化的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。國(guó)際電工委員會(huì)將電力電子學(xué)科命名為“Power Electronics”1-1 1-1 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念1-1-4) 電力電子技術(shù)的學(xué)術(shù)地位電力電子技術(shù)與電力電子學(xué)并無(wú)實(shí)質(zhì)的不同，只不過(guò)前者從工程技術(shù)角度而后者從學(xué)術(shù)角度來(lái)稱呼所研究的學(xué)科。中文直譯為“電力電子學(xué)”1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容1-2-1 電

6、力電子器件1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容1-2-3 電力電子裝置與應(yīng)用1-2-1 電力電子器件1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容電力電子器件與信息處理用電子器件的制造依據(jù)相同的理論基礎(chǔ)。制造工藝不同.電子器件: 學(xué)過(guò)的有二極管三極管等電子器件的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)電力電子器件特點(diǎn) 涉及功率范圍大數(shù)百瓦到數(shù)百千瓦 工作在開關(guān)狀態(tài)1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容電能具有直流、交流兩種基本形式實(shí)現(xiàn)電能變換的電力電子電路基本形式電力電子電路基本形式: : 交流-直流變換（AC/DC變換） 直流-交流

7、變換（DC/AC變換） 直流-直流變換（DC/DC變換） 交流-交流變換（AC/AC變換）電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容是研究實(shí)現(xiàn)這些變換的電路結(jié)構(gòu)及其工作原理 1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容DC/DCDC/DC變換變換是直流到直流的變換，稱為斬波。相應(yīng)的裝置稱斬波器。如直流電機(jī)斬波調(diào)速裝置，太陽(yáng)能發(fā)電裝置中使用的直流電壓升壓電路。 1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容如計(jì)算機(jī)房使用的不間斷電源（UPS）就是一種恒頻輸出的逆變器，交流電機(jī)調(diào)速使用的變頻器是輸出頻率可調(diào)的逆變器。DC/ACDC/AC變換變換與整流過(guò)程相反，是將交流

8、變換為直流的變換，這種變換稱為逆變。相應(yīng)的裝置稱為逆變器。1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容AC/DCAC/DC變換變換是將交流變換為直流的變換，這種變換稱為整流。相應(yīng)的裝置稱為整流器。采用晶閘管的相控整流裝置應(yīng)用很廣：直流調(diào)速用整流電源、同步電機(jī)勵(lì)磁電源、衛(wèi)星地面接收站使用的直流電源等。1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容如計(jì)算機(jī)房使用的不間斷電源（UPS）就是一種恒頻輸出的逆變器，交流電機(jī)調(diào)速使用的變頻器是輸出頻率可調(diào)的逆變器。DC/ACDC/AC變換變換與整流過(guò)程相反，是將交流變換為直流的變換，這種變換稱為逆變。相應(yīng)的

9、裝置稱為逆變器。1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容AC/ACAC/AC變換變換實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電參數(shù)進(jìn)行變換。對(duì)電壓有效值進(jìn)行調(diào)節(jié)的稱為交流調(diào)壓如有些溫度控制系統(tǒng)就是采用調(diào)壓來(lái)控制發(fā)熱元件所輸出的功率.將50HZ工頻電直接變換為其它頻率交流 電的過(guò)程稱為交交變頻，相應(yīng)的變流裝 置稱為周波變換器。周波變換器廣泛應(yīng)用于低頻、大功率交流調(diào)速。 1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容電力電子電路的控制技術(shù)可分為相位控制與脈沖寬度調(diào)制（PWM）兩大類相位控制技術(shù)通過(guò)控制電力電子器件在一開關(guān)周期中開通的時(shí)刻來(lái)調(diào)節(jié)輸出電能-相位控制主要用于晶閘管

10、電路1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容PWM控制技術(shù)通過(guò)直接控制在一開關(guān)周期中電力電子器件導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間比例來(lái)調(diào)節(jié)輸出電能PWM技術(shù)主要用于應(yīng)用全控器件的電力電子電路。PWM技術(shù)已成為電力電子電路中應(yīng)用的主流控制方法。電力電子電路中的大功率電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，這種開關(guān)型的電路屬于非線性電路。1-2-2 電力電子電路及其控制技術(shù)1-2 電力電子技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容電力電子電路分析方法對(duì)電力電子電路分析的基本方法是采用分段線性分析，即將電力電子電路在不同時(shí)段采用不同的線性電路來(lái)模擬，進(jìn)而利用線性電路理論進(jìn)行分析。電路理論是電力電子電路研究的基礎(chǔ)1-3 電力電

11、子技術(shù)發(fā)展概況電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件發(fā)展密切相關(guān).黎明期(1904-1957).晶閘管時(shí)代（1957年21世紀(jì)70年代）.全控器件大發(fā)展階段（1970以來(lái)）.功率集成電路的興起（1980年代末以來(lái)）1-3 電力電子技術(shù)發(fā)展概況圖 1-2 功率集成電路興起 電力電子技術(shù)的發(fā)展階段1-4 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 促進(jìn)電能的最佳利用1-4-1 電力電子技術(shù)的重要作用改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)電一體化等新產(chǎn)業(yè)電力電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要的地位1-4-1 電力電子技術(shù)的作用 電網(wǎng)供電的形式是固定的，而用電設(shè)備對(duì)電能形式的要求是多種多樣的。為了合理高效地利用電能，通常在用電設(shè)備的前端對(duì)電能形式進(jìn)行變

12、換與處理。促進(jìn)電能的最佳利用促進(jìn)電能的最佳利用現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家電能的75要經(jīng)過(guò)電力電子變換或控制后使用，我國(guó)經(jīng)過(guò)變換或控制后使用的電能目前僅占30，利用電力電子技術(shù)使用電能的發(fā)展余地還很大。 1-4-1 電力電子技術(shù)的作用改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用電力電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，具有明顯的節(jié)能、節(jié)材、改善產(chǎn)品性能等效果。如:風(fēng)機(jī)、水泵用變頻調(diào)速運(yùn)行，則降速10%節(jié)電可達(dá)約30%，節(jié)能十分可觀。如:變壓器的鐵芯截面積與其供電頻率成反比，因此采用高頻逆變技術(shù)的電源裝置的鐵芯材料的使用比工頻整流裝置要少得多，如逆變式電焊機(jī)比工頻交流和直流弧焊機(jī)節(jié)電3040，省材約75%。 如:太陽(yáng)能發(fā)電中須利用DC-DC變

13、換裝置將太陽(yáng)能電池輸出的電能充電給蓄電池，再用DC-AC變換裝置將蓄電池儲(chǔ)存的電能變換為交流電供用電設(shè)備使用或傳輸給電網(wǎng)。 1-4-1 電力電子技術(shù)的作用發(fā)展機(jī)電一體化等新產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)電一體化等新產(chǎn)業(yè)航天、激光、電動(dòng)汽車、機(jī)器人、新能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池）等領(lǐng)域都和電力電子技術(shù)有著密切關(guān)系。電力電子裝置可分為兩大類：1-4-2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力電子補(bǔ)償控制器電力電子補(bǔ)償控制器負(fù)載是電網(wǎng)本身，主要作用是改善電網(wǎng)質(zhì)量電力電子變換電源電力電子變換電源.將電網(wǎng)電能變換為負(fù)載所需的電能形式供負(fù)載使用.將其他形式的電能變換為工頻電送給電網(wǎng)1-4-2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力電子變換電源的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：1、 直流開關(guān)電源2、 恒頻、恒壓逆變電源3、 一般工業(yè)中電力傳動(dòng)用電源4、 電力系統(tǒng)應(yīng)用5、 交通運(yùn)輸如電力機(jī)車、電動(dòng)汽車應(yīng)用6、 中高頻感應(yīng)加熱電源7、 電解、電鍍用低壓大電流電源8、 其它應(yīng)用如超導(dǎo)儲(chǔ)能核聚變反應(yīng)堆用大容量的脈沖電源1-5 課程教學(xué)計(jì)劃 電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究各類變流裝置的電磁現(xiàn)象、基本工作原理、控制技術(shù)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 教學(xué)學(xué)時(shí)：56 其中，主講：46學(xué)