電力電子技術：1 緒論

1、第1章 緒 論2目 錄1.1 什么是電力電子技術1.2 電力電子技術的發(fā)展史1.3 電力電子技術的應用1.4 本教材的內(nèi)容簡介及課程要求31.1 什么是電力電子技術？顧名思義，電力電子技術是應用于電力領域的電子技術，是電子技術的兩大分支之一。 電力電子技術中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” ，前者則更一般些。 電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數(shù)字電子技術都屬于信息電子技術。4什么是電力電子技術？電力電子技術是研究采用電力電子器件實現(xiàn)對電能的變換和控制的科學。 電力電子器件的制造技術是電力電子技術的基礎。 變

2、流技術則是電力電子技術的核心。5研究電力電子技術的意義緩解三大危機的重要技術手段三大危機：能源危機、資源危機和環(huán)境危機。能源危機 環(huán)境破壞 沙漠化 6研究電力電子技術的意義解決途徑可再生能源（太陽能、風能、潮汐能、地熱能）、新能源（燃料電池等）；高效率和高品質(zhì)的用電。100kW Photovoltaic Array and 10kW Wind Turbine in Beverly, MA技術手段-電力電子技術7傳統(tǒng)線性電源工作原理工頻變壓器降壓，交流轉(zhuǎn)換為直流，經(jīng)三極管（相當于可調(diào)電阻）調(diào)壓，輸出低壓直流電缺點效率低，一般在30%50%散熱器的體積大工頻變壓器/濾波器體積大重量重8開關電源工作

3、原理交流轉(zhuǎn)換為直流，再變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器降壓，濾波后輸出低壓直流電優(yōu)點三極管相當于開關，功耗小效率高，75%95%高頻變壓器/濾波器體積小、重量輕、功率密度高多端輸出電力電子技術的典型應用9電力變換的種類通常所用的輸入電源有交流和直流兩種從公用電網(wǎng)直接得到的是固定頻率的某一標準等級的單相或三相交流電源從蓄電池和干電池得到的是直流電源10負載要求由于用電設備的類型、功能是千差萬別的，對電能的電壓、頻率要求各不相同普通的白熾燈照明需要220V50Hz（或110V60Hz）單相交流電；機械工業(yè)中的感應加熱設備必須由中頻或高頻交流電源供電；化學工業(yè)中的電解、電鍍由低壓直流電源供電；要求調(diào)速的直

4、流電動機需要可變的直流電壓源供電；蓄電池的充電設備要求有大功率脈沖電源。 11電力變換的種類總的來說，輸出有以下兩種形式：直流幅值恒定的穩(wěn)壓輸出；幅值可調(diào)的穩(wěn)壓輸出。交流頻率固定、幅值可調(diào)的交流輸出；頻率及幅值均可調(diào)的交流輸出。由于從電源得到的電力往往不能直接滿足負載（或用電設備）的要求，因此需要進行電力變換。12電力變換的種類按照變換器輸入輸出端電能的形態(tài)（頻率），電力變換器可分為四大類：電力變換是指在電源和負載之間進行電壓（電流）的大小、頻率、波形、相位及相數(shù)的變換。 輸入 輸出 交流（AC） 直流（DC） 直流（DC）整流 直流斬波 交流（AC）交流電力控制變頻、變相逆變 13電力變換的

5、種類交流直流變換器（AC-DC converter）或整流器（rectifier）直流交流變換器（DC-AC converter）或逆變器（inverter）直流直流變換器（DC-DC converter）或直流斬波器（chopper）交流交流變換器（AC-AC converter）交流電力控制電路（ac controller）交交變頻電路或周波變換器（cycloconverter）14電力變換的基本電路和工作原理 （1）電力變換器基本電路結(jié)構輸出電壓ud的波形說明交流直流（整流）利用開關S1S4的導通和關斷的組合，可將交流變換為直流。若控制開關導通的時間，便可改變直流電壓（平均值）的大小。1

6、5電力變換的基本電路和工作原理 （2）電力變換器基本電路結(jié)構輸出電壓ud的波形說明交流交流（交流電力控制）控制開關S1、S2的導通時間，便可改變輸出交流電壓（有效值）的大小。16電力變換的基本電路和工作原理 （3）電力變換器基本電路結(jié)構輸出電壓ud的波形說明直流直流（斬波）控制開關S的導通和關斷，便可改變輸出直流電壓（平均值）的大小。17電力變換的基本電路和工作原理 （4）電力變換器基本電路結(jié)構輸出電壓ud的波形說明直流交流（逆變）利用開關S1S4的導通和關斷的組合，可將負載電壓值控制在正負范圍，并可改變負載電壓的頻率和大小。18電力電子系統(tǒng)中的開關電力電子電路中理想開關的要求關斷時，開關的阻

7、抗為無窮大，開關中流過的電流為零；導通時，開關的阻抗為零，開關兩端的電壓為零；開關從導通狀態(tài)變?yōu)殛P斷狀態(tài)的時間，或者從關斷狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)的時間為零；開關即使進行高速、長時間反復導通與關斷，開關不會損壞。19電力電子系統(tǒng)中的開關 機械開關通過機械的方式使觸點接通（斷開）動作速度慢，易產(chǎn)生電弧，壽命短產(chǎn)生的損耗極小，適用于大功率的開、關及切換機械開關雖然接近于理想開關，但不能滿足上述條件（3）和（4）。20電力電子系統(tǒng)中的開關 電力電子開關包括電力二極管、晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管等半導體器件能夠完成數(shù)千赫茲至數(shù)百千赫茲高速下的導通與關斷，而且壽命長可極精確地進行功率變換 21電力電子

8、技術與其他學科專業(yè)的關系 電力電子學主要是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的學科（W. E. Newell，1974）“電力電子學”和“電力電子技術”分別從學術和工程技術的角度來稱呼，實際內(nèi)容沒有很大不同22電力電子技術和電子學的關系電力電子學中的電力電子器件電子學中的電子器件電力電子學中的電力電子電路電子學中的電子電路電力電子器件制造技術和電子器件制造技術的理論基礎（都是基于半導體理論）是一樣的，大多數(shù)工藝也相同 現(xiàn)代電力電子器件的制造設備和技術與微電子器件制造通用電力電子電路和電子電路的分析方法一致，但應用的目的不同：電子電路用于信息處理，電力電子電路用于電力變換和控制23電力

9、電子技術和電子學的關系電力電子電路廣泛用于電視機、計算機等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路信息電子技術中，半導體器件既可工作在放大狀態(tài)，也可工作在開關狀態(tài)而在電力電子電路中，為避免功率損耗過大，半導體器件總在開關狀態(tài)，這是電力電子技術的一個重要特征！24電力電子技術和電力學的關系電力電子技術廣泛用于電氣工程中電力電子裝置廣泛用于高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程電力電子技術歸屬于電氣工程電力電子與電力傳動是電氣工程（一級學科）的一個二級學科25電氣工程的雙三角形描述大三角形描述了電氣工程一級學科和其他學科的關

10、系小三角形則描述了電氣工程一級學科內(nèi)各二級學科的關系。26電力電子技術和控制理論的關系控制理論廣泛用于電力電子技術，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能滿足各種需求；電力電子技術可看成“弱電控制強電”的技術，是“弱電和強電的接口”，控制理論是實現(xiàn)該接口的強有力紐帶；控制理論是自動化技術的理論基礎，而電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。27電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1.2 電力電子技術的發(fā)展史28電力電子技術的歷史1957年，美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管（Thyristor）或Silicon Controlled Rectifier（SCR，可控硅）。一般認

11、為，電力電子學的誕生是以晶閘管的發(fā)明為標志。隨著電力半導體器件在大容量方面的發(fā)展，控制電力半導體器件的新技術也不斷出現(xiàn)，電子技術逐漸向功率控制擴展，從而形成了電力電子學。291.3 電力電子技術的應用越來越多的用電設備采用電力電子變換器30越來越多的發(fā)電設備采用電力電子變換器電力電子技術的應用3131具體例子計算機電源系統(tǒng)（內(nèi)含多個電力電子變換器）32多電或全電艦船電能系統(tǒng)航天飛行器電能系統(tǒng)電動汽車電能系統(tǒng)多電飛機電能系統(tǒng)Gen.Gen.ElectronicEquipmentMotorFilterFilterFilterEnergyStorageFilterFilterFilterFilter

12、Air ConditionerEnd UserFacility具體例子可獨立運行的分布式供用電系統(tǒng)33具體例子 高壓直流輸電34具體例子 UPS電源35為什么電力電子技術能應用于這么多領域呢電力電子技術可以實現(xiàn)下面一些要求： 增強功能；提高性能；高效率；高可靠性；體積小、重量輕、價格低。36電力電子技術的功效電力電子技術是電能變換技術，是把粗電變?yōu)榫姷募夹g，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術研究的也就是電源技術。電力電子技術對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術。電力電子技術的應用十分廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)滲透到了工業(yè)乃至民生的每一個角落，時至今日，如果要找出一個使用電能的領域完全不用電力電子技術恐怕已經(jīng)很困難了。電力電子技術是目前最有生命力和競爭力的工業(yè)技術之一。37水泵、風機的變頻控制（b）調(diào)速驅(qū)動方式（a）傳統(tǒng)驅(qū)動方式38LED驅(qū)動電源39