1、電力電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 趙克趙克 電氣工程系專業(yè)平臺課電氣工程系專業(yè)平臺課2第一章第一章 緒論緒論 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 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 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用20世紀(jì)人類最偉大的世紀(jì)人類最偉大的20項科技成果不同程度地應(yīng)用了電力電子技術(shù)項科技成果不同程度地應(yīng)用了電力電子技術(shù)-電氣化、汽車、飛機、自來水供水系統(tǒng)、電子技術(shù)、無線電與電視、農(nóng)業(yè)電氣化、汽車、飛機、自來水供水系統(tǒng)、電子技術(shù)、無線電與電視、農(nóng)業(yè)機械化、計算機、電話、空調(diào)與制冷、高速公路、航天、互聯(lián)網(wǎng)、成像技機械化、計算機、電話、空調(diào)與制冷、高速公

2、路、航天、互聯(lián)網(wǎng)、成像技術(shù)、家電、保健科技、石化、激光與光纖、核能利用、新材料術(shù)、家電、保健科技、石化、激光與光纖、核能利用、新材料 3 1.1 什么是電力電子技術(shù) 1.1.1 1.1.1 電力電子技術(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)-應(yīng)用于應(yīng)用于電力領(lǐng)域電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。的電子技術(shù)。 電力電子技術(shù)中所變換的電力電子技術(shù)中所變換的“電力電力” 有區(qū)別有區(qū)別于于“電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)”所指的所指的“電力電力” ，后者特，后者特指電力網(wǎng)的指電力網(wǎng)的“電力電力” ，前者則更一般些。，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。

3、通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)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)。字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。 4從工程的對象對象和內(nèi)容內(nèi)容及手段手段幾方面理解：p 對象：能量中的電能p 內(nèi)容：對電能的變換和控制p 手段：利用電力電子器件（半導(dǎo)體器件）問題：為什么要對電能進(jìn)行變換和控制？問題：為什么要對電能進(jìn)行變換和控制？ 1.1.2 電力電子技術(shù)定義使用使用電力電子器件電力電子器件對對電能電能進(jìn)行進(jìn)行變換變換和和控制控制的技術(shù)。的技術(shù)。5n例例1.1：電車（地鐵等）用設(shè)置在車底下的變流裝置：電車（地鐵等）用設(shè)置在車底下的變流裝置控制來自架空線的直流電流，對電動機進(jìn)行調(diào)速。控制來

4、自架空線的直流電流，對電動機進(jìn)行調(diào)速。圖圖1.1 1.1 電車的調(diào)速方式電車的調(diào)速方式6n例例1.2：自然能發(fā)電：自然能發(fā)電 （太陽能和風(fēng)能）（太陽能和風(fēng)能）在采用自然能發(fā)電時，必在采用自然能發(fā)電時，必須控制變化的發(fā)電功率。須控制變化的發(fā)電功率。圖圖1.2 1.2 太陽能發(fā)電能量流程太陽能發(fā)電能量流程圖圖1.3 1.3 風(fēng)能發(fā)電能量流程風(fēng)能發(fā)電能量流程7 1.1.3 電能變換的種類逆變直流斬波交流電力控制變頻、調(diào)功整流直流交流交流直流 輸出 輸入電能變換的含義：在輸入與輸出之間，將電壓、電流、頻率（含直流）、相位、相數(shù)中的一項以上加以改變。電力變換四大類型問題：如何實現(xiàn)電能變換？問題：如何實現(xiàn)

5、電能變換？8 1.1.4 電能變換的基本原理 變換類型變換類型1 1：AC-DCAC-DC 利用利用S1S1S4S4的導(dǎo)通與關(guān)斷的組合，可由交流形成直流。的導(dǎo)通與關(guān)斷的組合，可由交流形成直流。 同時，控制開關(guān)導(dǎo)通的時間，可控制直流電壓大小。同時，控制開關(guān)導(dǎo)通的時間，可控制直流電壓大小。圖圖1-4 AC-DC電路結(jié)構(gòu)與波形電路結(jié)構(gòu)與波形在功率變換電路中，為了盡量提高電能變換的在功率變換電路中，為了盡量提高電能變換的效率效率，應(yīng)采用開關(guān)型，應(yīng)采用開關(guān)型變換器。因為器件只有工作在變換器。因為器件只有工作在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)，才能降低變換過程中的電，才能降低變換過程中的電能損耗。能損耗。單方向直流9利用

6、利用S S的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制負(fù)載上的直流電壓。的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制負(fù)載上的直流電壓。圖圖1-5 DC-DC電路結(jié)構(gòu)與波形電路結(jié)構(gòu)與波形變換類型變換類型2：DC-DC平均電壓改變10l利用利用S1S1S4S4的導(dǎo)通與關(guān)斷的組合，將負(fù)載電壓值控制的導(dǎo)通與關(guān)斷的組合，將負(fù)載電壓值控制在正負(fù)范圍。在正負(fù)范圍。l同時，可控制負(fù)載上交流電壓的頻率。同時，可控制負(fù)載上交流電壓的頻率。圖圖1-6 DC-AC電路結(jié)構(gòu)與波形電路結(jié)構(gòu)與波形變換類型變換類型3：DC-AC交變電壓11控制控制S1,S2S1,S2開關(guān)導(dǎo)通的時間，可控制交流電壓開關(guān)導(dǎo)通的時間，可控制交流電壓大小。大小。圖圖1-7 AC-AC電路結(jié)構(gòu)與波形電

7、路結(jié)構(gòu)與波形問題：開關(guān)型變換器中的開關(guān)器件應(yīng)如何選取？問題：開關(guān)型變換器中的開關(guān)器件應(yīng)如何選取？將電能任意地、高效率地變換和控制，應(yīng)采用開關(guān)型變換器。變換類型變換類型4：AC-AC12 1.1.5. 電能變換用的開關(guān)器件理想開關(guān)應(yīng)滿足的條件（以斬波電路為例）:圖圖1-8 斬波電路結(jié)構(gòu)與波形斬波電路結(jié)構(gòu)與波形13電能變換電路中理想開關(guān)應(yīng)滿足的條件： （1）開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時能承受高的端電壓，并且漏泄電流為零（2）開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時能流過大電流，而且這時的端電壓為零（3）導(dǎo)通、關(guān)斷切換時所需開關(guān)時間為零（4）長期反復(fù)地開關(guān)也不損壞（壽命長）開關(guān)損耗為零電能變換電路中開關(guān)的選擇：q 機械開關(guān)：（1）

8、和（2）-yes，（3）和（4）-noq 半導(dǎo)體開關(guān)：較好滿足（3）和（4） ； 基本滿足（1）和（2）14理想開關(guān)理想開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)論：使用功率半導(dǎo)體器件，即電力電子器件，作為電 力變換電路中開關(guān)。所以，電力電子技術(shù)定義為：使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)15 1.1.6 電力電子器件的種類按照其控制通斷的能力分類按照其控制通斷的能力分類: 不控型不控型、半控型和全控型。半控型和全控型。1617 變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)） 是電力電子技術(shù)的核心。 包括：用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其進(jìn)行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。 電力電子器件制造

9、技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。本課程的重點是變流技術(shù)。（1）研究內(nèi)容包括兩大分支：）研究內(nèi)容包括兩大分支： 1.1.7.電力電子技術(shù)的特點 18電力電子技術(shù)是應(yīng)用在電力變換領(lǐng)域的電子技術(shù)。（2 2）與電子技術(shù)的關(guān)系）與電子技術(shù)的關(guān)系19 電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣工程中，是電氣工程這個學(xué)科中最活躍的一個分支。20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的邊緣技術(shù)學(xué)科。（3）學(xué)科特點）學(xué)科特點201.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖圖1-9 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年年美國通用美國通用電氣公司研制出第一個電氣公司研制出第一個晶

10、閘管晶閘管為標(biāo)志的。為標(biāo)志的。21 1904年年-電子管電子管，開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)，開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng) 域的先河。域的先河。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代到年代到50年代年代-水銀整流器水銀整流器，廣泛用于廣泛用于電化學(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的傳動，甚至用于直流輸電。機的傳動，甚至用于直流輸電。 1947年年-晶體管晶體管(貝爾實驗室貝爾實驗室)，引發(fā)了電子技術(shù)，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。的一場革命。 晶閘管出現(xiàn)前晶閘管出現(xiàn)前-史前期或黎明期。史前期或黎明期。22晶閘管時代晶閘管時代電氣性能電氣性能控制性能控制性能水銀整

11、流器水銀整流器旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組取代取代電力電子技術(shù)的電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)概念和基礎(chǔ)晶閘管特點晶閘管特點半控型器件半控型器件相控方式相控方式應(yīng)用局限應(yīng)用局限性性產(chǎn)生產(chǎn)生23全控型器件和電力電子集成電路（全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期年代后期門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）電力雙極型晶體管（電力雙極型晶體管（BJT）電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）（全控型器件）（全控型器件）控制方式控制方式脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）在在80年代后期年代后期絕緣柵極雙極型晶體管（絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）MOS控制晶閘管（控制

12、晶閘管（MCT）集成門極換流晶閘管（集成門極換流晶閘管（IGCT）24電力電子器件電力電子器件驅(qū)動、控制、保護(hù)電路驅(qū)動、控制、保護(hù)電路電力電子集成技術(shù)電力電子集成技術(shù)單片集成技術(shù)單片集成技術(shù)混合集成技術(shù)混合集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)損耗開關(guān)損耗功率密度功率密度電力電子集成電路電力電子集成電路（PIC）25電力電子技術(shù)的電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛應(yīng)用范圍十分廣泛 一般工業(yè)一般工業(yè)交通運輸交通運輸 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)新能源系統(tǒng)新能源系統(tǒng)家用電器家用電器1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用無處不在無處不在26一般工業(yè)中應(yīng)用一般工業(yè)中應(yīng)用交直流電動機調(diào)速交直流電動

13、機調(diào)速變頻調(diào)速變頻調(diào)速軟起動裝置軟起動裝置電化學(xué)工業(yè)電化學(xué)工業(yè)電解鋁電解鋁電鍍電鍍冶金工業(yè)冶金工業(yè)感應(yīng)加熱感應(yīng)加熱淬火電源淬火電源目的？要求？要求？27圖圖1-10 AB變頻器變頻器28交通運輸中應(yīng)用交通運輸中應(yīng)用電氣化鐵道電氣化鐵道直流機車直流機車整流裝置整流裝置交流機車交流機車變頻裝置變頻裝置直流斬波器直流斬波器磁懸浮列車磁懸浮列車電動汽車電動汽車電力變換和驅(qū)動控制電力變換和驅(qū)動控制蓄電池的充電蓄電池的充電29電力系統(tǒng)中應(yīng)用電力系統(tǒng)中應(yīng)用直流輸電直流輸電（長距離大（長距離大容量輸電）容量輸電）送電端的整流閥送電端的整流閥受電端的逆變閥受電端的逆變閥柔性交流輸電柔性交流輸電無功補償或諧波抑制

14、無功補償或諧波抑制（電能質(zhì)量控制）（電能質(zhì)量控制）晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCR）晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）靜止無功發(fā)生器（靜止無功發(fā)生器（SVG）有源電力濾波器（有源電力濾波器（APF）交直流操作電源交直流操作電源30圖圖1-11 中國南方電網(wǎng)公司中國南方電網(wǎng)公司 安順換流站安順換流站圖圖1-12 靜止無功發(fā)生靜止無功發(fā)生器（上）和器（上）和 晶閘管晶閘管投切電容器（下）投切電容器（下）31電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置各種電子裝置-直流電源供電。直流電源供電。 程控交換機程控交換機-高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。 微型計算機電源微型計算機電源-高頻開關(guān)

15、電源高頻開關(guān)電源。 在大型計算機等場合在大型計算機等場合-不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）（典型的電力電子裝置）（典型的電力電子裝置）32電力電子照明電源電力電子照明電源-逐步取代白熾燈和日光逐步取代白熾燈和日光燈。燈。空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機，空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機， 不不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。力電子技術(shù)。家用電器家用電器 33圖圖1-13 風(fēng)場風(fēng)場新能源中應(yīng)用新能源中應(yīng)用風(fēng)能、太陽能發(fā)電風(fēng)能、太陽能發(fā)電緩沖能量和改善電能質(zhì)量緩沖能量和改善電能質(zhì)量電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)核聚變反應(yīng)堆核聚變反應(yīng)堆大容量的脈沖電源大容量的脈沖電源產(chǎn)生強大磁場產(chǎn)生強大磁場34 據(jù)統(tǒng)計據(jù)統(tǒng)計7070的電能都是經(jīng)過變換后才使用，隨著科的電能都是經(jīng)過變換后才使用，隨著科技的發(fā)展，電能變換的比例將會進(jìn)一步提高。技的發(fā)展，電能變換的比例將會進(jìn)一步提高。電力