電力電子技術(shù)(含實(shí)驗(yàn))第1章-緒論

緒論課程的目的和任務(wù)了解電力電子技術(shù)的發(fā)展概況，熟悉各種電力電子器件的特性和使用方法；掌握各種電力電子電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及初步實(shí)驗(yàn)技能；熟悉各種電力電子裝置的應(yīng)用范圍及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。課程的基本要求1.熟悉和掌握晶閘管SCR、電力MOSFET、IGBT、IGCT等電力電子器件的結(jié)構(gòu)、原理、特性和使用方法；2.熟悉和掌握各種基本的整流電路、直直變換電路、交交變換電路和逆變電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、電路計(jì)算和控制方法。3.掌握PWM技術(shù)的工作原理和控制特性。1.電力電子技術(shù)王兆安，劉進(jìn)軍主編，機(jī)械工業(yè)出版社第5版，2009年2現(xiàn)代電力電子電路，林謂勛主編，浙江大學(xué)出版社，2002年3.電力電子技術(shù)習(xí)題集，李先允等編，中國電力出版社，2007年4.電力電子技術(shù)—典型題解析及自測試題，吳小華等編，西北工業(yè)大學(xué)出版社，20025.電路分析、設(shè)計(jì)軟件：Pspice、Matlab、Saber課程的輔導(dǎo)參考書籍

本章內(nèi)容

１-1電力電子技術(shù)概述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課程內(nèi)容簡介1-1電力電子技術(shù)概述電力電子技術(shù)（powerelectronics）：指利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制，把從電網(wǎng)獲取的“粗電”變換成負(fù)載所需要的“精電”的技術(shù)。電子技術(shù)包括：信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)。信息電子技術(shù)——模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。電力電子技術(shù)主要用于電力變換，而信息電子技術(shù)主要用于信息處理。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)

目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。電力電子技術(shù)實(shí)際上是一門交叉學(xué)科，1974年，美國的W.E.Newell用圖1-1的倒三角形對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形電力電子技術(shù)可以認(rèn)為是電力學(xué)（power)、電子學(xué)（electronics)、和控制（control)技術(shù)完全融合的交叉學(xué)科。其理論涉及材料科學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強(qiáng)電”的技術(shù)，是“弱電和強(qiáng)電的接口”，控制理論是實(shí)現(xiàn)該接口的強(qiáng)有力紐帶；電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中一個最為活躍的分支，其不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動力。電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)的區(qū)別：許多分析方法一致，僅應(yīng)用目的不同；廣義而言，電子電路中的功放和功率輸出也可算做電力電子電路；電力電子電路廣泛用于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路；器件的工作狀態(tài)：信息電子，既可處于放大狀態(tài)，也可工作在開關(guān)狀態(tài)；電力電子，為避免功率損耗過大，總在開關(guān)狀態(tài)。

1.電力變換的基本類型圖1-2電力變換的基本類型

電力變換類型直流負(fù)載交流負(fù)載恒定或可調(diào)直流電恒頻恒壓或變頻變壓交流電交流電源AC1.整流器4.交流斬波5.變頻器ACDCAC直流電源3.逆變器2.直流斬波DCDCDCAC

2.電力電子系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)電力變換主電路電力變換控制電路信號檢測電路功率半導(dǎo)體驅(qū)動電路輸入電能輸出電能反饋信號控制信號圖1-3電力電子系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

電力變換主電路：由電力電子器件、二極管、電容、感性元件組成的強(qiáng)電電路，不同的電能變換有不同的電路形式（電路拓?fù)洌饕峭ㄟ^對電力電子器件的開關(guān)控制完成電能形式的變換；電力變換控制電路：主要由集成電路及其外圍元件組成的弱電電路，主要是將來自檢測電路的反饋信號按照電能形式變換的要求，運(yùn)用相應(yīng)的控制規(guī)則和算法進(jìn)行處理，產(chǎn)生電力電子器件的開關(guān)控制信號，以完成電能的正確變換。信號檢測電路：按照控制目標(biāo)的要求，將電力變換電路的輸入輸出電壓電流信號或者電路內(nèi)部的狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成控制電路可以接收和處理的信號。功率半導(dǎo)體驅(qū)動電路：將控制信號轉(zhuǎn)換成符合電力電子器件導(dǎo)通和關(guān)斷控制的有效信號。

3.電力電子技術(shù)的研究分支及特點(diǎn)研究分支:

電力電子器件（element)技術(shù)、變流技術(shù)(powerconversion)和控制技術(shù)（Control)三個分支。特點(diǎn):電力電子器件是整個電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，電力電子技術(shù)的發(fā)展集中體現(xiàn)在電力電子器件的發(fā)展上，器件一般均工作在開關(guān)狀態(tài)，這是重要特征；變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的主體，控制技術(shù)是電力電力電子技術(shù)的靈魂；電力電子技術(shù)和運(yùn)動控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù),是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù),能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源，因此，電力電子技術(shù)將青春永駐。20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展1-2電力電子技術(shù)的發(fā)展軌跡以1958年美國通用電氣公司（GE)第一只晶閘管的誕生為標(biāo)志，標(biāo)志電力電子技術(shù)的誕生。

史前期（1957年以前）：晶閘管時代（1958～70年代）：全控型器件時代（70年代后期）：復(fù)合器件時代（80年代后期）：電力電子技術(shù)的發(fā)展前景電力電子技術(shù)的發(fā)展史以電力電子器件的發(fā)展史為綱晶閘管問世，(公元元年)

IGBT出現(xiàn)功率集成器件晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生15

1.電力電子技術(shù)史前期晶閘管出現(xiàn)前的時期，用于電力變換的電子技術(shù)已經(jīng)存在；1904年出現(xiàn)了電子管（Valve）開啟電子技術(shù)之先河；水銀整流器（mercury-vapour

thyratrons）；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；電動機(jī)—直流發(fā)電機(jī)組(旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組)；最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管。２.晶閘管時代晶閘管SCR(SiliconControlledRectifier)可通過門極控制開通，但通過門極不能控制關(guān)斷，屬于半控型器件。晶閘管因其電氣性能和控制性能優(yōu)越，很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，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。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式。目前由于其能承受的電壓、電流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以許多大容量場合仍大量使用SCR。３.全控型器件時代

以GTO門極可關(guān)斷晶閘管、BJT(GTR)電力雙極型晶體管、Power-MOSFET（電力場效應(yīng)管）為代表：這些器件可以通過門極（或柵極、基極）控制開通和關(guān)斷。同時，這些器件可以達(dá)到的開關(guān)頻率均較高。這些器件大大推進(jìn)了電力電子技術(shù)的發(fā)展。和SCR電路的相位控制方式相對應(yīng)，全控型器件電路常使用脈沖寬度調(diào)制（PWMPulseWidthModulation）方式進(jìn)行控制。４.復(fù)合型器件時代以絕緣柵極雙極型晶體管IGBT（

Insulated-GateBipolarTransistor）為代表：

IGBT＝MOSFET＋BJT它集MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。功率集成電路：把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC），代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，典型器件為IPM。５.電力電子技術(shù)的發(fā)展前景電力電子器件發(fā)展的目標(biāo)是：高頻率、大容量、易驅(qū)動、低損耗、小體積（高芯片利用率）、模塊化、綠色化。新的控制技術(shù)的使用，以減小電力電子器件的開關(guān)損耗，如軟開關(guān)技術(shù)：通過諧振電路使得器件在零電壓（ZVS）或零電流（ZCS）的狀態(tài)下進(jìn)行開關(guān)。電力電子應(yīng)用系統(tǒng)向著高效、節(jié)能、小型化和智能化的方向發(fā)展。①分立器件②模塊電力電子器件④IGBT模塊③IGBT單管電力電子器件的發(fā)展趨勢高頻化：提高開關(guān)頻率，降低設(shè)備體積，節(jié)約資源模塊化：功率部分、控制、驅(qū)動、保護(hù)集成一體數(shù)字化：數(shù)字控制技術(shù)廣泛應(yīng)用綠色化：諧波污染小、功率因數(shù)高、電磁輻射小1-3電力電子技術(shù)應(yīng)用電力電子技術(shù)廣泛用于一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、不間斷電源和開關(guān)電源、家用電器、以及新能源的開發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域。在解決全球能源危機(jī)、資源危機(jī)和環(huán)境污染方面發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過至少一次電力電子裝置處理以后使用的電能所占比例已經(jīng)成為一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。１.一般工業(yè)直流電動機(jī)有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置；近年來電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)媲美，交流調(diào)速技術(shù)大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位；電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，如電解鋁、電解食鹽水等。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，需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。２.交通運(yùn)輸電力機(jī)車中的直流機(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。電動汽車的電機(jī)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)、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術(shù)；如果把電梯也算做交通運(yùn)輸工具，那么它也需要電力電子技術(shù)。３.電力系統(tǒng)電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。最終用戶在使用電能時常常需要進(jìn)行預(yù)處理。如降壓、濾波、無功補(bǔ)償?shù)?。直流輸電（HVDC)在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流站和受電端的逆變站都采用晶閘管變流裝置。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）可以大幅度提高電網(wǎng)輸電能力和穩(wěn)定性。有源濾波器（APFActivePowerFilter)可進(jìn)行用戶端的無功補(bǔ)償和諧波抑制。

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。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。４.電子裝置用電源５.家用電器照明在家用電器中有十分突出的地位。由于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”，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。變頻空調(diào)器是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機(jī)、音響設(shè)備、等電子設(shè)備的電源部分也都需要電力電子技術(shù)。此外，有些洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。６.新能源的開發(fā)和利用傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水力發(fā)電以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機(jī)后，各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電的發(fā)展較快。太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，需要改善電能質(zhì)量，這就需要電力電子技術(shù)。為了合理地利用水力發(fā)電資源，近年來抽水儲能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動機(jī)的起動和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。*電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍發(fā)展迅速*電力電子研究的是電源技術(shù)*電力電子技術(shù)稱為節(jié)能技術(shù)應(yīng)用總結(jié)如下:1-4課程內(nèi)容簡介第一部分：電力電子器件的原理與基礎(chǔ)

第2、8章(全書的基礎(chǔ))主要介紹各種電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)、應(yīng)用特性，以及驅(qū)動、緩沖、保護(hù)、串并聯(lián)等器件應(yīng)用的共性問題和基礎(chǔ)性問題；在各種器件中，晶閘管SCR、電力MOSFET、IGBT、IGCT應(yīng)用最為廣泛。第二部分：各種電力電子電路的分析、計(jì)算和基本實(shí)驗(yàn)（第3、4、5、6、第7章前半部分）掌握常見電力變換的電路的基本原理、波形分析和各種負(fù)載對電路工作的影響分析和初步設(shè)計(jì)、計(jì)算。在內(nèi)容的介紹中，突出共同的分析方法對理解電路的工作原理十分有益，例如，電力電子電路是非線性的，但當(dāng)電路中各開關(guān)器件通斷狀態(tài)完成后，又可按線性電路