电力电子技术课件(第5版)【王兆安】.pdf

1、第第1章 绪论章 绪论1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介2/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术的概念电力电子技术的概念可以认为，所谓电力电子技术就是应用于可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力 电力 领域的领域的电子电子技术。技术。电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力”有区别于 有区别于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力”，后者特指电力网的，后者特指电力网的“电力电力”，前者则更一般些。，前者则更一般

2、些。电子技术包括信息电子技术和电力电子技 术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电 子技术都属于信息电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技 术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电 子技术都属于信息电子技术。3/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。电力电子器件的制造技术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变流技术则是电力电子技术的核心。输入输出输入输出交流交流（AC）直流直

3、流（DC）直流直流（DC）整流直流斩波整流直流斩波交流交流（AC）交流电力控制变频、变相交流电力控制变频、变相逆变逆变表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类4/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子学电力电子学美国学者美国学者W.Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力 学电力 学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。图图1-1 描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形5/211.1 什么是电力电子技术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和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半

4、导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。电力电子技术和电子学电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。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。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。6/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解

5、、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电 各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电 图图1-2 电气工程的双三角形描述电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关

6、系。用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。7/211.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论控制理论广泛用于电力电子技术中，它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。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，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。另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，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。电力电子技术和控制理论控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系

7、统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，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。另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，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。8/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史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一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用 电气公司研制出第一个美国通用 电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。9/211.2 电力电子技

8、术的发展史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。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。1904年出现了年出现了电子管电子管，它能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。，它能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。20世纪世纪30年代到年代到50年代年代，水银整流器水银整流器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，也应用广

9、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直流发电机组来变流。来变流。1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了电子技术的一场革命。引发了电子技术的一场革命。10/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代晶闸管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之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

10、确立的。由于其优越的电气性能和控制性能，使之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。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。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

11、限。11/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC）70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（电力双极型晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的为代表的全控型器件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开通又可使其又可使其关断关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度

12、调制（脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式斩波控制方式，简称，简称斩控方式斩控方式。在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合型器件复合型器件异军突起。它是异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。12/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控

13、制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在一起，构成集成在一起，构成电力电子集成电路（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，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为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成技术混合集成技术以及以及系统集成技术系统集成技术。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工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技术软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件

14、的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。13/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。一般工业一般工业工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用 电力电子装置进行调速

15、的。，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变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。14/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。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。电化学工业大量使用直流

16、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。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。15/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用交通运输交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用，交流机车采用变频装置变频装置。直流斩波器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辅助电源也都离不开电力电子技术。也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其电动汽车的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，它们也要靠的充电也离不开