电力电子技术第五版(王兆安).

第1章绪论1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展史1.3电力电子技术的应用1.4本教材的内容简介1.1什么是电力电子技术■电力电子技术的概念◆电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。☞电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”。☞电子技术包括信息电子技术(模拟电子技术和数字电子技术)和电力电子技术两大分支。2/211.1什么是电力电子技术◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。☞电力电子器件是电力电子技术的基础。☞变流技术则是电力电子技术的核心。输入输出交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流直流斩波交流（AC）交流电力控制变频、变相逆变3/21表1-1电力变换的种类1.1什么是电力电子技术■电力电子学◆美国学者W.Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。4/21图1-1描述电力电子学的倒三角形1.1什么是电力电子技术☞电力电子技术和电子学电力电子器件的制造技术的理论和工艺与用于信息变换的电子器件制造技术相同。☞电力电子技术和电力学电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。5/211.1什么是电力电子技术☞电力电子技术与电气工程学科的关系隶属于电气工程一级学科电力电子技术的应用和发展必须依赖其它学科电力电子技术促进了其他学科的发展图1-2电气工程的双三角形描述6/211.1什么是电力电子技术☞电力电子技术和控制理论控制理论使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术是弱电和强电之间的接口而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。7/211.2电力电子技术的发展史8/21■电力电子技术的发展史图1-3电力电子技术的发展史◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。1.2电力电子技术的发展史◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。☞电子管(1904)，在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。☞水银整流器(1930s-1950s)，广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。9/211.2电力电子技术的发展史◆晶闸管时代☞晶闸管凭借其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。☞晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。10/211.2电力电子技术的发展史◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC）☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。11/211.2电力电子技术的发展史☞把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。☞随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。12/211.3电力电子技术的应用■电力电子技术的应用范围◆一般工业☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。☞电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源☞电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。13/211.3电力电子技术的应用◆交通运输☞电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。☞电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。☞飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。14/211.3电力电子技术的应用◆电力系统☞用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。☞直流输电：其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。☞电能质量提高：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。☞在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。☞在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。15/211.3电力电子技术的应用16/21图1-5中国南方电网公司安顺换流站图1-6静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）1.3电力电子技术的应用◆电子装置用电源☞各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。☞在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。17/211.3电力电子技术的应用◆家用电器☞电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。☞空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。◆其它☞航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。☞抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。18/211.3电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。19/21☞新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电力电子技术。☞核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常需要一些特种电源。图1-7风场1.4本教材的内容简介■本教材的内容20/21■参考书目☞赵良炳.现代电力电子器件基础.北京:清华大学出版社,1995.☞丁道宏.电力电子技术.北京:航空工业出版社,1992.☞张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京:电子工业出版社,1998.☞李先允,陈刚.电力电子技术习题集.北京:中国电力出版社,2008.■网络资源☞☞学习目标初级目标：掌握常用电力电子器件工作原理、基本电路及控制方法。中级目标：能利用上述知识进行简单电力电子装置设计与开发。高级目标：综合利用所学知识，设计满足生产实际需要的电力电子装置。学习方法在掌握电力电子器件和基本电路结构的基础上，利用分段线性分析方法，熟悉电路中主要器件工作波形。充分利用教学实验，验证电路工作原理和相关器件工作波形。发挥现代电力电子仿真软件的作用，加强对本课程的感性认识。22/21第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——电力二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结24/89引言■模拟和数字电子电路的基础——晶体管和集成电路等电子器件电力电子电路的基础——电力电子器件■本章主要内容：◆概述电力电子器件的概念、特点和分类。◆分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。25/892.1电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点26/892.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的概念◆电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。☞广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。27/892.1.1电力电子器件的概念和特征■电力电子器件的特征◆处理电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。28/892.1.1电力电子器件的概念和特征☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗☞电力电子器件的功率损耗29/892.1.2应用电力电子器件的系统组成■电力电子器件实际应用：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离控制电路检测电路保护电路驱动电路RLV1V2主电路图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成30/892.1.3电力电子器件的分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件☞器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。◆全控型器件☞通过控制信号既可以控制其导通、关断。☞目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。31/892.1.3电力电子器件的分类■按照驱动信号的性质◆电流驱动型☞从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。◆电压驱动型☞在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现器件导通或者关断的控制。■按照驱动信号的波形（电力二极管除外）◆脉冲触发型☞在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。◆电平控制型☞通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。3