電力電子技術(shù)概述課件

電力電子技術(shù)概述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電力電子器件1電力電子技術(shù)概述1.1什么是電力電子技術(shù)1■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。

?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)。

1.1什么是電力電子技術(shù)2■電力電子技術(shù)的概念1.1什么是電力電子技術(shù)2◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。

?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。

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1.1什么是電力電子技術(shù)3◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件?逆變器---把固定的直流電壓變成固定或可調(diào)的交流電壓?斬波器---把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓?交流調(diào)壓器---把固定的交流電壓變成可調(diào)的交流電壓?變頻器---把固定的交流頻率變成可調(diào)的交流頻率1.1什么是電力電子技術(shù)4?逆變器1.1什么是電力電子技術(shù)4■電力電子學(xué)◆美國學(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1.1什么是電力電子技術(shù)5■電力電子學(xué)圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形1.1什么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。?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。

61.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電子學(xué)61.1什么是電力電子技術(shù)各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)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之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電圖1-2電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學(xué)科。圖1-2用兩個三角形對電氣工程進(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學(xué)科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。

71.1什么是電力電子技術(shù)各種電力電子裝置廣泛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)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L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化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

81.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和控制理論81.2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年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(biāo)志的。91.2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◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。

?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(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機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，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。在這一時期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。

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

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史10◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎1.2電◆晶閘管時代

?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。?晶閘管是通過對門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。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史11◆晶閘管時代1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史11◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（GTR）和電力場效應(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，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(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。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。

?在80年代后期，以絕緣柵雙極型晶體管（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，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史12◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）1.2電力電子技術(shù)?把驅(qū)動、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。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史13?把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在1.2電力電子?硬開關(guān)：開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。

硬開關(guān)和軟開關(guān)

14?硬開關(guān)：硬開關(guān)和軟開關(guān)14?軟開關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。

硬開關(guān)和軟開關(guān)

15?軟開關(guān)：硬開關(guān)和軟開關(guān)151.3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)用各種交直流電動機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。?一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。

161.3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。圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動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合。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用17圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為1.3電◆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)車直流機(jī)車中采用整流裝置交流機(jī)車采用變頻裝置直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。

?電動汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。

?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用18◆交通運(yùn)輸1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用18◆電力系統(tǒng)?直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，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。?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(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)的無功補(bǔ)償或諧波抑制。

1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用19◆電力系統(tǒng)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用19?利用穩(wěn)定的直流電具有無感抗，容抗，無同步問題等優(yōu)點(diǎn)而采用的大功率遠(yuǎn)距離直流輸電。?通過架空線和海底電纜遠(yuǎn)距離輸送電能；同時在一些不適于用傳統(tǒng)交流聯(lián)接的場合，它也被用于獨(dú)立電力系統(tǒng)(不同頻率電網(wǎng)，頻率相同但控制規(guī)律不同的交流電網(wǎng))間的互聯(lián)。

高壓直流輸電（HDVC）20?利用穩(wěn)定的直流電具有無感抗，容抗，無同步問題等優(yōu)點(diǎn)而采用的?高壓直流輸電系統(tǒng)：電能從三相交流電網(wǎng)的一點(diǎn)導(dǎo)出，在換流站轉(zhuǎn)換成直流，通過架空線或電纜傳送到接受點(diǎn)；直流在另一側(cè)換流站轉(zhuǎn)化成交流后，再進(jìn)入接收方的交流電網(wǎng)。直流輸電的額定功率通常大于100兆瓦，許多在1000-3000兆瓦之間。高壓直流輸電（HDVC）21高壓直流輸電（HDVC）21圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用22圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器◆電子裝置用電源

?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。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)在也都采用高頻開關(guān)電源。

?在大型計(jì)算機(jī)等場合，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。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用23◆電子裝置用電源1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用23開關(guān)電源線性電源：?調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)調(diào)整管損耗大?工頻變壓器體積大，重量重。24開關(guān)電源線性電源：24線性電源25線性電源25開關(guān)電源開關(guān)電源：泛指電路中有電力電子器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)的直流電源。?電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗很小?其隔離和電壓變換的變壓器T是高頻變壓器，體積大大縮小，重量大大減輕26開關(guān)電源開關(guān)電源：泛指電路中有電力電子器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)開關(guān)電源27開關(guān)電源27◆家用電器

?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。

?變頻空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算 機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用28◆家用電器1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用28總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。

?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來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，更離不開電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場合，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1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用29總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。?新概念?主電路（MainPowerCircuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。功率變換器即為通常所說的電力電子電路（也稱主電路），它由電力電子器件構(gòu)成。1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗30概念1.4電力電子器件

--?電力電子器件（PowerElectronicDevice） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。電力電子裝置示意圖1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗31?電力電子器件（PowerElectronicDevic分類:電真空器件(汞弧整流器、閘流管)半導(dǎo)體器件(采用的主要材料硅）目前，除了在大功率高頻微波電路中仍使用真空管（電真空器件）外，其余的電力電子電路均由功率半導(dǎo)體器件組成1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗32分類:1.4電力電子器件

-同處理信息的電子器件相比的一般特征?能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。?電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。?電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制?電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗33同處理信息的電子器件相比的一般特征1.4電力電子器件

主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素?？刂茦O損耗1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗34主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗通態(tài)損耗是器

圖電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路電氣隔離在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子電路—電力電子系統(tǒng)電力電子電路35圖電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成導(dǎo)通主電路中電力電子器件關(guān)斷檢測電路、驅(qū)動電路以外的電路控制電路由信息電路組成控制電路主電路電力電子系統(tǒng)檢測電路檢測主電路或應(yīng)用現(xiàn)場信號通過驅(qū)動電路控制36應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成導(dǎo)通主電路中關(guān)斷檢測電路、驅(qū)動電路主電路驅(qū)動電路檢測電路控制電路控制信號電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離保護(hù)電路

保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成37主電路驅(qū)動電路檢測電路控制電路電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2主電路端子之間信號導(dǎo)通關(guān)斷電力電子器件控制端主電流端子（公共端）——驅(qū)動電路和主電路，是主電路電流流出電力電子器件的端子控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成38電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路R?是構(gòu)成電力電子設(shè)備的核心，電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)?作為開關(guān)元件的要求：開關(guān)速度快、承受電流/電壓能力大，工作損耗小。?理想狀態(tài)：截止時—能承受高電壓且漏電流要??；導(dǎo)通時—能流過大電流和很低的管壓降；在開關(guān)轉(zhuǎn)換時，具有短的開、關(guān)時間；通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗均要小。同時能承受高的di/dt和du/dt上升率，以及具有全控功能。電力半導(dǎo)體器件39?是構(gòu)成電力電子設(shè)備的核心，電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)電力半導(dǎo)體器件電力電子器件的分類1.按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度分為以下三類?不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。二極管VD

?半控型器件（Thyristor）——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。普通晶閘管SCR?全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。GTO、GTR、功率MOSFET、IGBT等40電力電子器件的分類1.按照電力電子器件能夠被控2.按照門極(柵極)驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：?電流驅(qū)動型——通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。該類器件驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，工作頻率低。如SCR、GTO、GTR?電壓驅(qū)動型——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。該類器件驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單可靠，工作頻率高。如IGBT、P-MOSFET電力電子器件的分類412.按照門極(柵極)驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：電力電子器電力電子器件的分類3.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：單極型器件——由一種載流子參與導(dǎo)電的器件，如功率MOSFET雙極型器件——由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件，如二極管、SCR、GTO、GTR復(fù)合型器件——單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件，如IGBT，是電力電子器件發(fā)展方向。42電力電子器件的分類3.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)9、有時候讀書是一種巧妙地避開思考的方法。2022/12/222022/12/22Thursday,December22,202210、閱讀一切好書如同和過去最杰出的人談話。2022/12/222022/12/222022/12/2212/22/20226:50:14AM11、越是沒有本領(lǐng)的就越加自命不凡。2022/12/222022/12/222022/12/22Dec-2222-Dec-2212、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯兒。2022/12/222022/12/222022/12/22Thursday,December22,202213、知人者智，自知者明。勝人者有力，自勝者強(qiáng)。2022/12/222022/12/222022/12/222022/12/2212/22/202214、意志堅(jiān)強(qiáng)的人能把世界放在手中像泥塊一樣任意揉捏。22十二月20222022/12/222022/12/222022/12/2215、最具挑戰(zhàn)性的挑戰(zhàn)莫過于提升自我。。十二月222022/12/222022/12/222022/12/2212/22/202216、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022/12/222022/12/2222December202217、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。2022/12/222022/12/222022/12/222022/12/22ThankYou...

Youmademyday!---敢為天下先，勇爭第一9、有時候讀書是一種巧妙地避開思考的方法。2022/12/2電力電子技術(shù)概述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電力電子器件44電力電子技術(shù)概述1.1什么是電力電子技術(shù)1■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。

?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)。

1.1什么是電力電子技術(shù)45■電力電子技術(shù)的概念1.1什么是電力電子技術(shù)2◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。

?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。

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1.1什么是電力電子技術(shù)46◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件?逆變器---把固定的直流電壓變成固定或可調(diào)的交流電壓?斬波器---把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓?交流調(diào)壓器---把固定的交流電壓變成可調(diào)的交流電壓?變頻器---把固定的交流頻率變成可調(diào)的交流頻率1.1什么是電力電子技術(shù)47?逆變器1.1什么是電力電子技術(shù)4■電力電子學(xué)◆美國學(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1.1什么是電力電子技術(shù)48■電力電子學(xué)圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形1.1什么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。?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。

491.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電子學(xué)61.1什么是電力電子技術(shù)各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)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之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電圖1-2電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學(xué)科。圖1-2用兩個三角形對電氣工程進(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學(xué)科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。

501.1什么是電力電子技術(shù)各種電力電子裝置廣泛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)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L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化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

511.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和控制理論81.2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年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(biāo)志的。521.2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◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。

?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(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機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，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。在這一時期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。

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

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史53◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎1.2電◆晶閘管時代

?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。?晶閘管是通過對門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。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史54◆晶閘管時代1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史11◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（GTR）和電力場效應(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，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(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。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。

?在80年代后期，以絕緣柵雙極型晶體管（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，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史55◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）1.2電力電子技術(shù)?把驅(qū)動、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。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史56?把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在1.2電力電子?硬開關(guān)：開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。

硬開關(guān)和軟開關(guān)

57?硬開關(guān)：硬開關(guān)和軟開關(guān)14?軟開關(guān)：在原電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開關(guān)過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。

硬開關(guān)和軟開關(guān)

58?軟開關(guān)：硬開關(guān)和軟開關(guān)151.3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)用各種交直流電動機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。?一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。

591.3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。圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動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合。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用60圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為1.3電◆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)車直流機(jī)車中采用整流裝置交流機(jī)車采用變頻裝置直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。

?電動汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。

?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用61◆交通運(yùn)輸1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用18◆電力系統(tǒng)?直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，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。?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(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)的無功補(bǔ)償或諧波抑制。

1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用62◆電力系統(tǒng)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用19?利用穩(wěn)定的直流電具有無感抗，容抗，無同步問題等優(yōu)點(diǎn)而采用的大功率遠(yuǎn)距離直流輸電。?通過架空線和海底電纜遠(yuǎn)距離輸送電能；同時在一些不適于用傳統(tǒng)交流聯(lián)接的場合，它也被用于獨(dú)立電力系統(tǒng)(不同頻率電網(wǎng)，頻率相同但控制規(guī)律不同的交流電網(wǎng))間的互聯(lián)。

高壓直流輸電（HDVC）63?利用穩(wěn)定的直流電具有無感抗，容抗，無同步問題等優(yōu)點(diǎn)而采用的?高壓直流輸電系統(tǒng)：電能從三相交流電網(wǎng)的一點(diǎn)導(dǎo)出，在換流站轉(zhuǎn)換成直流，通過架空線或電纜傳送到接受點(diǎn)；直流在另一側(cè)換流站轉(zhuǎn)化成交流后，再進(jìn)入接收方的交流電網(wǎng)。直流輸電的額定功率通常大于100兆瓦，許多在1000-3000兆瓦之間。高壓直流輸電（HDVC）64高壓直流輸電（HDVC）21圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用65圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器◆電子裝置用電源

?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。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)在也都采用高頻開關(guān)電源。

?在大型計(jì)算機(jī)等場合，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。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用66◆電子裝置用電源1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用23開關(guān)電源線性電源：?調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)調(diào)整管損耗大?工頻變壓器體積大，重量重。67開關(guān)電源線性電源：24線性電源68線性電源25開關(guān)電源開關(guān)電源：泛指電路中有電力電子器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)的直流電源。?電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗很小?其隔離和電壓變換的變壓器T是高頻變壓器，體積大大縮小，重量大大減輕69開關(guān)電源開關(guān)電源：泛指電路中有電力電子器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)開關(guān)電源70開關(guān)電源27◆家用電器

?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。

?變頻空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算 機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用71◆家用電器1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用28總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。

?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來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，更離不開電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場合，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1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用72總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。?新概念?主電路（MainPowerCircuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。功率變換器即為通常所說的電力電子電路（也稱主電路），它由電力電子器件構(gòu)成。1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗73概念1.4電力電子器件

--?電力電子器件（PowerElectronicDevice） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。電力電子裝置示意圖1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗74?電力電子器件（PowerElectronicDevic分類:電真空器件(汞弧整流器、閘流管)半導(dǎo)體器件(采用的主要材料硅）目前，除了在大功率高頻微波電路中仍使用真空管（電真空器件）外，其余的電力電子電路均由功率半導(dǎo)體器件組成1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗75分類:1.4電力電子器件

-同處理信息的電子器件相比的一般特征?能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。?電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。?電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制?電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗76同處理信息的電子器件相比的一般特征1.4電力電子器件

主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。控制極損耗1.4電力電子器件

-----概念、分類、特征、損耗77主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗通態(tài)損耗是器

圖電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路電氣隔離在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子電路—電力電子系統(tǒng)電力電子電路78圖電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成導(dǎo)通主電路中電力電子器件關(guān)斷檢測電路、驅(qū)動電路以外的電路控制電路由信息電路組成控制電路主電路電力電子系統(tǒng)檢測電路檢測主電路或應(yīng)用現(xiàn)場信號通過驅(qū)動電路控制79應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成導(dǎo)通主電路中關(guān)斷檢測電路、驅(qū)動電路主電路驅(qū)動電路檢測電路控制電路控制信號電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔離保護(hù)電路

保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成80主電路驅(qū)動電路檢測電路控制電路電氣隔離電氣隔離電氣隔離電氣隔電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2主電路端子之間信號導(dǎo)通關(guān)斷電力電子器件控制端主電流端子（公共端）——驅(qū)動電路和主電路，是主電路電流流出電力電子器件的端子控制電路檢測電路驅(qū)