第1章电力电子技术绪论

1-431电力电子技术PowerElectronicsByLIWen-leiCollegeofInformationScience&Engineering,NingboUniversity2-432关于本课3-433电路电子技术基础电力电子技术电力拖动自动控制系统/运动控制系统4-434—教科书王兆安，刘进军主编《电力电子技术》(第5版)北京：机械工业出版，2009.—参考书1)贺益康，潘再平编．电力电子技术．北京：科学出版社，2004.42)石玉，电力电子技术题例与电路设计指导，机械工业出版社，20003)李序葆、赵永健编，电力电子器件及其应用，机械工业出版社，1996—网络课程：—讲授-42学时—实验-6个,17学时教学安排5-435—实验:30%,平时20%，期末50%成绩评定联系方式Email：[e-mail];短号：612298注：1.当次未交作业的需要在下一次交作业时补交（重修、自学+辅导除外），平时成绩公示后作业无特殊原因不能再补交和更改；2.当次未作实验的如当周有另一组做实验的可以补，下一周因器材换了不能补，6-4361什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用绪论7-4371.1电力电子与信息电子1.2两大分支1.3与其他学科的关系1.4地位和未来1什么是电力电子技术8-438信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.1电力电子与信息电子9-439变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。1.2两大分支电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。10-4310电力——交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1电力变换的种类进行电力变换的技术称为变流技术。逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流输出输入1.2两大分支变流技术11-4311电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现。1974年，美国的W.Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散图1描述电力电子学的倒三角形1.3与相关学科的关系12-4312都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。二者同根同源。与电子学（信息电子学）的关系1.3与相关学科的关系13-43131.3与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与电力学（电气工程）的关系14-4314控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。与控制理论（自动化技术）的关系1.3与相关学科的关系15-4315电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。1.4地位和未来16-4316电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生2电力电子技术的发展史该设备被包于蒜头型玻璃容器或大金属桶。一个阴极淹没在水银池的底部，多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。当电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时，电子束将可藉电离化的水银，由阴极流向阳极，但无法反向。这些设备可用于数百千瓦等级的功率。从1970年代中期起，被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。17-4317一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置3.1电力电子技术的应用18-4318轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业3.1电力电子技术的应用19-43192）交通运输3.1电力电子技术的应用20-43203）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS3.1电力电子技术的应用21-43213.1电力电子技术的应用中国南方电网公司安顺换流站静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）22-43224）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机3.1电力电子技术的应用23-43235）家用电器3.1电力电子技术的应用24-43246）其他大型计算机的UPS航天技术新型能源3.1电力电子技术的应用25-4325电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。3.2电力电子技术的应用示例26-4326Industrialapplications-MotorDrive直流电动机（DCElectromotor）有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源（ControlledRectifyingPowerSupply）或直流斩波电源（DCChoppingPowerSupply）都是电力电子装置直流电动机可控整流电源27-4327近年来电力电子变频技术（FrequencyInversionTechnique）的迅速发展，使交流电机（ACElectromotor）的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术（ACSpeedControlTechnique）大量应用并占据主导地位。如几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等。交流电机Industrialapplications-MotorDrive28-4328+Electrolysis(电解)+Electroplating(电镀)+Inductionheating(感应加热)+Welding(焊接)+Arcfurnacesandovens(电弧炉)+Lighting(照明)Industrialapplications电化学工业大量使用直流电源（DCPowerSupply），如电解铝、电解食盐水等。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需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源（RectifyingPowerSupply）29-4329+Trains＆locomotives+Subways+Trolleybuses(有轨汽车)+Magneticlevitation+Electricvehicles(电动飞行器)+Automotiveelectronics(汽车电子)+Shippowersystems+AircraftpowersystemsTransportationapplications30-4330Transportationapplications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（FrequencyInverter）。直流斩波器（DCChopper）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磁悬浮列车31-4331Transportationapplications电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换（PowerConversion）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（FrequencyInverter）和斩波器（Chopper）驱动并控制.飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术32-4332Transportationapplications如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速（ACSpeedControlbyFrequencyVariation）已成为主流.33-4333Utilitysystemsapplications高压直流输电（HVDCTransmission）在长距离、大容量输电时有很大的优势，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。近年发展起来的柔性交流输电（FlexibleACTransmission－FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。34-4334Utilitysystemsapplications无功补偿和谐波抑制（VARCompensateandHarmonicControl）对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（ThysistorControlledReactor－TCR）、晶闸管投切电容器（ThysistorControlledCapacitor－TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（StaticVARGenerator－SVG）、有源电力滤波器（ActivePowerFilter－APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿（VARandHarmonicCompensate）的性能。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，以进行电能质量控制，改善供电质量在变电所中，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35-4335Powersuppliesforelectronicequipment(电子装置用电源)不间断电源（UninterruptablePowerSystem－UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。UPS主要分为两大类三种形式：一类是后备式，另一类是在线式，还有一种介于两者之间的在线互动式。36-4336Powersuppliesforelectronicequipment(电子装置用电源)线性电源与开关电源从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹较小，自身的干扰和噪声都比较小，但因为工作在工频,变压器的体积比较大,效率偏低(一般满载工作的效率只有80%左右)整体体积较大，显得较笨重，且输入电压范围要求高；而开关电源是工作的高频状态,变压器的体积比较小,相对比较轻便,但是输出纹波较线性电源要大,但因结构简单,成本低,效率高(市面上的开关电源的效率也可达90%以上)