西交大-電力電子技術(shù)55版第1章

第1章緒論

1.1什么是電力電子技術(shù)

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史

1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1.4本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介1西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子技術(shù)的概念◆可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。

?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。

?電力電子技術(shù)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。2西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。?目前所用的電力電子器件均由半導(dǎo)體制成，也稱(chēng)電力半導(dǎo)體器件。?電力電子技術(shù)所變換的“電力”，功率可以大到數(shù)百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級(jí)。?信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換，這時(shí)二者本質(zhì)上的不同。3西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)通常所用的電力——交流和直流兩種。從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池和干電池得到的電力是直流。

這些電源的電力往往不能直接滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)行電力變換。（變流技術(shù)）

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

表1-1電力變換的種類(lèi)4西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子電子技術(shù)(電力電子學(xué))與其他學(xué)科的關(guān)系◆美國(guó)學(xué)者W.Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形5西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系?！半娏W(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)在我國(guó)已不太應(yīng)用，可用“電工科學(xué)”或“電氣工程”取代之。各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車(chē)牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此無(wú)論是國(guó)內(nèi)國(guó)外，通常都把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中的一個(gè)最為活躍的分支。6西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和控制理論控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。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。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

7西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史■電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖1-3電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。8西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管時(shí)代

?晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。?晶閘管是通過(guò)對(duì)門(mén)極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。9西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高，同時(shí)電力器件的開(kāi)關(guān)損耗也隨之增大。為減小開(kāi)關(guān)損耗，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)就是軟開(kāi)關(guān)的基本形式。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗降為零，也可使得開(kāi)關(guān)頻率得以進(jìn)一步提高，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

10西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。11西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電力系統(tǒng)?據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶(hù)最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流裝置的處理。

?直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。

?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。

12西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電子裝置用電源

?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開(kāi)關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開(kāi)關(guān)電源。

?在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。13西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣，其地位也越來(lái)越重要。

?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。圖1-7風(fēng)場(chǎng)14西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)通常把電力電子技術(shù)分為電力電子器件的制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個(gè)分支。?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。其理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。?變流技術(shù)也稱(chēng)為電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)，包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對(duì)這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)，是電力電子技術(shù)的核心，其理論基礎(chǔ)是電路理論。15西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電子學(xué)電子學(xué)——電子器件和電子電路兩大分支，分別與電力電子器件和電力電子電路相對(duì)應(yīng)。電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。二者應(yīng)用目的不同，前者用于電力控制和變換，后者用于信息處理。在信息電子技術(shù)中，半導(dǎo)體器件既可處于放大狀態(tài)，也可處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)；而在電力電子技術(shù)中為避免功率損耗過(guò)大，電力電子器件總是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。16西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)在我國(guó)，電力電子與電力傳動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-2用兩個(gè)三角形對(duì)電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。

圖1-2電氣工程的雙三角形描述17西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門(mén)嶄新的技術(shù)。在21世紀(jì)電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度發(fā)展。以計(jì)算機(jī)為核心的信息科學(xué)將是21世紀(jì)起主導(dǎo)作用的科學(xué)技術(shù)之一。電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，將和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。計(jì)算機(jī)就像人的大腦。電力電子技術(shù)就像人的消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。消化系統(tǒng)對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換（把電網(wǎng)或其他電源提供的“粗電”變成適合于使用的“精電”），再由以心臟為中心的循環(huán)系統(tǒng)把轉(zhuǎn)換后的能量傳送到大腦和全身。電力電子技術(shù)連同運(yùn)動(dòng)控制一起，還可比做人的肌肉和四肢，使人能夠運(yùn)動(dòng)和從事勞動(dòng)。電力電子技術(shù)在21世紀(jì)中將會(huì)起著十分重要的作用，有著十分光明的未來(lái)。18西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱(chēng)為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。

?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線電，從而開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。

?20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來(lái)變流。

?1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。

19西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）20世紀(jì)70年代后期，以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門(mén)極（基極、柵極）的控制既可使其開(kāi)通又可使其關(guān)斷。采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱(chēng)之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)斬控方式。在20世紀(jì)80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。20西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。?一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。

21西交大-電力電子技術(shù)55版第1章共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸?電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車(chē)中的直流機(jī)車(chē)中采用整流裝置，交流機(jī)車(chē)采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車(chē)輛。在未來(lái)的磁懸浮列車(chē)中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車(chē)輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。