緒論-電力電子

電力電子技術(shù)

PowerElectronics電氣學(xué)院自動(dòng)化系陶慧taohui@QQ:65724138緒論1.電力電子技術(shù)的概念及內(nèi)容2.電力電子技術(shù)的發(fā)展史3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用4.教材內(nèi)容簡(jiǎn)介、課時(shí)分配和學(xué)習(xí)考核1.1電力電子與信息電子信息電子技術(shù)——信息處理電力電子技術(shù)——電力變換

電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。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)電力電子技術(shù):用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。

使用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路，對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，包括電壓、頻率、電流、波形等電量的變換技術(shù)。電力電子技術(shù)變換的“電力”，有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“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(jí)。1.2電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理電力變換技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對(duì)電力進(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)。電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。電力——交流和直流兩種從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流電力變換四大類(lèi)交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1

電力變換的種類(lèi)進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱(chēng)為變流技術(shù)

輸出輸入直流交流交流整流交流電力控制變頻、變相直流直流斬波逆變1.2電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容----變流技術(shù)電力電子技術(shù)是一門(mén)多學(xué)科交叉形成的新學(xué)科1.3與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1.3與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系電力電子學(xué)(PowerElectronics)名稱(chēng)60年代出現(xiàn)；圖1的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。電力電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)控制理論連續(xù)、離散

電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)圖1描述電力電子學(xué)的倒三角形與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系相同點(diǎn)：都分為器件和應(yīng)用兩大分支，二者同根同源。器件的材料、工藝基本相同，都采用微電子技術(shù)。應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法也基本相同。不同點(diǎn)：器件工作狀態(tài)不同：信息電子電路的器件可工作在開(kāi)關(guān)

狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)。電力電子電路的器件一般

只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電路實(shí)現(xiàn)功能不同與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)系電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中高壓直流輸電靜止無(wú)功補(bǔ)償電力機(jī)車(chē)牽引交直流電力傳動(dòng)電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源國(guó)內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個(gè)分支。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支。與控制理論（自動(dòng)化技術(shù)）的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電的接口?？刂评碚撌沁@種接口的有力紐帶.電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。1.4地位和未來(lái)電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)技術(shù)的兩大支柱計(jì)算機(jī)人腦電力電子技術(shù)消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運(yùn)動(dòng)控制肌肉和四肢電力電子技術(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(lèi)社會(huì)的永恒話(huà)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(mén)嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展。2.電力電子技術(shù)的發(fā)展史

電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱。一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年晶閘管的出現(xiàn)為標(biāo)志的。晶閘管問(wèn)世電力電子元年

IGBT出現(xiàn)功率集成器件晶閘管時(shí)代水銀(汞弧)整流器時(shí)代電子管問(wèn)世全控型器件迅速發(fā)展史前期—黎明期19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線(xiàn)電，從而開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來(lái)變流。引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。

◆晶閘管時(shí)代晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(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)展而確立的。晶閘管是通過(guò)對(duì)門(mén)極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。全控型器件和電力電子集成電路70年代后期，以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門(mén)極（基極、柵極）的控制既可使其開(kāi)通又可使其關(guān)斷。采用全控器件的電路的控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱(chēng)之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)斬控方式。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化和產(chǎn)品性能的綠色化。高頻化可使電力電子裝置小型化和高效率(結(jié)合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)）模塊化可減小裝置的體積和裝置的分布參數(shù)綠色化可控制諧波、減小對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的影響電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用一般工業(yè)：交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)交通運(yùn)輸：電氣化鐵道、電動(dòng)汽車(chē)、航空、航海電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無(wú)功補(bǔ)償電子裝置電源：為信息電子裝置提供動(dòng)力家用電器：“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置（1）一般工業(yè)工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)，水泵等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(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(chǎng)合。（2）交通運(yùn)輸電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。工礦企業(yè)的直流電力機(jī)車(chē)需要牽引變電所配備整流設(shè)備,并利用直流斬波技術(shù)調(diào)速。鐵路電力機(jī)車(chē)為交流電力機(jī)車(chē)，有整流器電力機(jī)車(chē)和交-直-交流電力機(jī)車(chē)，需要整流和變頻裝置。在磁懸浮列車(chē)中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車(chē)輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車(chē)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(dòng)并控制。飛機(jī)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。（3）電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置實(shí)現(xiàn)。晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。我國(guó)已經(jīng)投運(yùn)的直流工程①舟山直流輸電工程，是我國(guó)第一項(xiàng)直流輸電工程，輸送功率50MW，直流電壓100kV，直流電流500A，線(xiàn)路全長(zhǎng)54km.②葛洲壩一上海±500kV,功率1200MW，全長(zhǎng)1045km，

③天生橋一廣州±500kV,

1800MW，全長(zhǎng)960km④嵊泗直流輸電工程，是海底電纜直流工程，輸送功率60MW，直流電壓50kV，直流電流600A，線(xiàn)路全長(zhǎng)66．2km，其中59．7km為海底電纜，6．5km為架空線(xiàn)路

⑤三峽一常州±500kV,功率3000MW，全長(zhǎng)860km⑥貴州一廣東±500kV,3000MW，全長(zhǎng)882km⑦三峽一廣東500kV,3000MW，全長(zhǎng)960km。國(guó)家電網(wǎng)近期規(guī)劃13條特高壓（±800kV）直流輸電工程項(xiàng)目,向家壩-上海±800kV特高壓直流輸電已試運(yùn)行。（4）電子裝置用電源各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源。在大型計(jì)算機(jī)和醫(yī)院等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源（UPS）供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。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，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈?？照{(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開(kāi)各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來(lái)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。（5）家用電器及其他3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用目前，國(guó)外的70%~80%電能要經(jīng)電力電子裝置變換和控制后使用；我國(guó)僅有35%~40%的電能經(jīng)電力電子裝置變換和控制后使用。據(jù)國(guó)家電監(jiān)委統(tǒng)計(jì)，09年我國(guó)年發(fā)電總量3.65萬(wàn)億千瓦時(shí)，每年浪費(fèi)2000億千瓦時(shí)(三峽年發(fā)電發(fā)電1000億千瓦時(shí));2014年全國(guó)發(fā)電量5.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，電力供應(yīng)已由緊張短缺轉(zhuǎn)向供需平衡甚至寬松過(guò)剩，火力發(fā)電占75%，風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到1533億千瓦時(shí)，棄風(fēng)率達(dá)12%。我國(guó)電能使用效率有待提高。到本世紀(jì)二十年代我國(guó)將達(dá)到70%需經(jīng)電力電子裝置變換和控制，需經(jīng)電力電子裝置變換和控制，因此電力電子技術(shù)應(yīng)用非常廣闊。3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說(shuō)，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱(chēng)為是節(jié)能技術(shù)。4.1教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介教材的內(nèi)容可分為四大部分第一部分：電力電子器件

（第1章-----全書(shū)的基礎(chǔ))第二部分：各種電力電子電路（第2~5章-----全書(shū)的主體)第三部分：工程設(shè)計(jì)（第6章-----培養(yǎng)工程意識(shí)，選修）第四部分：應(yīng)用

（第7章，選修）4.2課時(shí)分配課時(shí)分配：課內(nèi)教學(xué)為40學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)為