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1、绪 论,.电力电子技术概述 以电力为对象的电子技术称为电力电子技术，它是一门利用各种电力电子器件，对电能进行电压、电流、频率和波形等方面的控制和变换的学科。 电力电子技术包括电力电子器件、电路和控制个部分，是横跨电力、电子和控制三大电气工程技术之间的交叉学科，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。正是依据这一特征，我国电力电子学会设计了如图所示的会标。,下一页,返回,绪 论,.电能变换的基本类型 电力电子电路的根本任务是实现电能变换和控制。电能变换的基本形式有种：变换、变换、变换、变换，在某些变流装置中，可能同时包含两种以上变换。 （）变换。将交流电能转换为固定或可调的直流电能的电路即为变换，
2、也叫整流电路。由电力二极管可组成不可控整流电路；用晶闸管或其他全控型器件可组成可控整流电路。以往使用最方便的整流电路为晶闸管相控整流电路，其特点是控制简单、运行可靠、适宜大功率应用。存在的问题有网侧功率因数低、谐波严重。由全控型器件组成的整流电路因具有高功率因数等优点，近年来得到发展与推广，应用前景十分广阔。,上一页,下一页,返回,绪 论,（）变换。将直流电能转换为频率固定或可调的交流电能的电路，常称为逆变电路。逆变电路不但能使直流变成可调的交流，而且可输出连续可调的工作频率。完成逆变的电力电子装置称为逆变器。将逆变器的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电返送到电网中去，称为有源
3、逆变。它主要用于直流电机的逆调速、绕线转 子异步电动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。将逆变器的交流侧直接接到负载上，把直流电逆变成某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。主要在感应加热、不间断电源（） 等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。,上一页,下一页,返回,绪 论,（）变换。将一种直流电能转换成另一种固定电压或可调电压的直流电的电路即为变换，也称为斩波电路。斩波电路大都采用控制技术。它广泛应用于计算机电源、各类仪器仪表、直流电机调速及金属焊接等。 （）变换。将固定大小和频率的交流电能转化为大小和频率可调的交流电能的电路，即为变换或交流变换电路。交流变
4、换电路可分为交流调压电路和变频电路。交流调压电路在维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅值。它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电动机的软启动和调速等场合。变频电路是将电网固定大小和频率的交流电变换成不同大小和频率的交流电。其中的交交变频电路主要用于大功率低速交流电动机调速系统；交直交变频电路是由不控整流结合无源逆变构成，主要用于交流电机变频调速等方面。,上一页,下一页,返回,绪 论,.电力电子技术的发展 （）电力电子器件的发展。由于电力电子器件具有体积小、重量轻、容量大、损耗小、寿命长、维护方便、控制性能好以及可采用集成电路制造工艺等优点，用它组成的装置具有可靠性高、节能、性能好等优点。
5、近半个世纪来，各种电力电子新器件不断涌现，应用范围已从传统的工业、交通、电力等部门，扩大到信息通信、家用电器以至宇宙开发等领域。实际上，电力电子技术的发展已不局限于高电压大电流的工业范畴，当你开车、乘电梯、使用计算机、打开空调、用微波炉、使用冰箱、打电话、看电视听音乐时，都在与电力电子技术打交道，电力电子技术已发展成为一种无所不在的技术。,上一页,下一页,返回,绪 论,电力电子器件的发展可分为两个阶段。 传统电力电子器件。主要是功率整流管与晶闸管（曾称可控硅），属于不控与半控器件。自年生产第一只晶闸管以来，现已由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等多种，器件的电压
6、、电流等技术参数均有很大提高，单只普通晶闸管的容量已达、。此类器件通过门极只能控制开通而不能控制关断，另外它立足于分立元件结构，工作频率难以提高，因而大大限制了其应用范围。但是晶闸管器件价格相对低廉，在大电流、高电压的发展空间依然较大，目前以晶闸管为核心的设备仍然在许多场合使用，晶闸管及其相关知识目前仍是初学者的基础。,上一页,下一页,返回,绪 论, 现代电力电子器件。世纪年代以来，将微电子技术与电力电子技术相结合，研制出新一代高频、全控型器件称为现代电力电子器件。主要有功率晶体管（）、可关断晶闸管（）、功率场效应管（）、绝缘栅双极晶体管（）、门极晶闸管（）等。最有发展前途的是绝缘栅双极晶体管
7、与门极晶闸管，两者均为场控复合器件，工作频率可达。目前器件已取代，而将可能取代晶闸管与，功率在低压高频变流领域仍有发展潜力。 器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。电力电子器件的发展方向主要表现在以下个方面。,上一页,下一页,返回,绪 论, 大容量化。应用微电子工艺，使单个器件的电压、电流容量进一步提高，以满足高压大电流的需要。 高频化。采用新材料、新工艺，在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速度，使装置运行在更高频率。频率提高不仅可提高系统的性能、改善波形，而且大大减少装置的体积与重量，因此高频器件的技术性能指标用“容量工作频
8、率”来衡量。 易驱动。由电流驱动发展为电压驱动，大力发展结构的复合器件，如、。由于控制驱动功率小，因此可研制专用集成驱动模块，甚至把驱动与器件制作在一个芯片上，以便更适合中、小功率控制。 降低导通压降。研制出比肖特基二极管正向压降还低的器件以提高变流效率、节省电能，特别适用于便携式低压电器。,上一页,下一页,返回,绪 论, 模块化。采用制造新工艺，如塑封化、表面贴装化和桥式化，将几个器件封装在一起以缩小体积与减少连线。如几个器件与续流管以及保护、检测器件、驱动等组成桥式模块，称智能器件，缩写为 （）。 功率集成化。充分应用集成电路工艺，将驱动、保护、检测、控制、自诊断等功能与电力电子器件集成于
9、一块芯片，发展成为功率集成电路 （），实现集成电路功率化、功率器件集成化，使功率与信息集成在一起，成为机电一体化的接口，并逐步向智能化（）方向发展。,上一页,下一页,返回,绪 论,（）变流电路与控制的发展。传统电力电子技术以整流为主导，以移相触发（相控）、模拟控制方式为主。世纪年代高频全控器件的出现，使逆变、斩波电路的应用日益广泛。由于逆变、斩波电路中都需要直流电源，因此整流电路仍占重要地位。在逆变、斩波电路中，以斩控形式的脉宽调制（） 技术大量应用，使交流装置的功 因数提高、谐波减少、动态响应加快。特别是以微处理器实现的数字控制替代了模拟控制，并应用于静止旋转坐标变换的矢量控制，使电力电子技
10、术日臻完善。 .电力电子技术的应用,上一页,下一页,返回,绪 论,电力电子技术广泛应用于工业、交通、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域。它的应用领域几乎涉及国民经济的各个工业部门。具体应用主要有直流可调电源、电镀、电解、加热、照明控制与节能照明、不间断电源（）与开关电源、充电、电磁合闸、电机励磁、电焊接、电网无功与谐波补偿、高压直流输电、光电池与燃料电池变换、固态断路器、感应加热、电机直流调速与变频交流调速、电力牵引（地铁机车、矿山机车、城市电车、电瓶车、电动汽车）、汽车电气、计算机及通信电源以及各类家电与便携式电器等。全球亿美元的电力电子产品市场已经形成，支撑着亿美元的电器电子硬件产品
11、。据美国国家电力科学研究院预测，到年，的电能将通过电力电子变换器来处理。,上一页,下一页,返回,绪 论,（）交直流电源。计算机高效绿色电源；电解、电镀等应用领域中的低电压大电流可控直流电源；各类高性能的不间断供电电源；各类恒频、恒压通用逆变电源。广泛应用于航天、航空、船舶、车辆、军事装备等特殊应用领域中作为独立的交流通用电源；各类低压直流开关电源。广泛应用于通信、计算机等领域，给电子设备、仪器的电子电路供电；蓄电池充电电源；中频或高频感应加热电源；大功率脉冲电源、激光电源；燃料电池或太阳能光电能转换系统输出的恒压直流或恒频、恒压交流电源；抽水储能发电站、超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容
12、量的电力电子变换电源。,上一页,下一页,返回,绪 论,（）电气传动与控制。电动机调速是电力电子在电动机控制中的重要应用。直流电动机变速传动控制是利用整流器或斩波器获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，实现控制电动机转速和转矩，达到直流电动机的变速传动控制。交流电动机变速传动控制则是利用逆变器或交交直流变频器对交流电动机供电，通过改变逆变器或交直流变频器的频率、电压和电流，实现经济、有效地控制交流电动机的转速和转矩，来达到交流电动机的变速传动。 电力电子技术的迅猛发展促使电动机控制技术有了突破性的提高，不仅能给电机提供好的调速性能，还能大大节约能源。以下种类型的电动机传动与电力电子
13、技术密切相关。,上一页,下一页,返回,绪 论, 工艺调速传动。这类传动要求机器按一定的工艺要求实施运动控制，以保证最终产品的质量、产量和劳动生产率。 节能调速传动。在各行各业中，风机、水泵等用交流电动机来拖动的负载，其用电量占我国工业用电量的以上。如果我国所拥有的风机、水泵全面采用变频调速后，就可节约电能以上，每年节电达到数百亿千瓦时。 牵引调速传动。如电动汽车及各种电瓶车、地铁及机车牵引；各类起重机及矿井提升机、电梯、船舶推进系统等，既可提高运输效率、显著节能，又可减少污染、保护环境。,上一页,下一页,返回,绪 论, 精密调速和特种调速。数控机床的主轴传动和伺服传动是现代机床的不可分割部分，
14、雷达火炮的同步联动等军事应用都要求电动机有足够的调速范围（如以上）和控制精度。 （）电力系统。在电力系统中，电压是衡量电能质量的一个重要指标。随着电力电子技术的发展，电力电子设备已开始进入电力系统并为解决电能质量控制提供了技术手段。 新型直流输电技术。新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站占地、降低造价的技术。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统（），它采用、等可关断的器件组成换流器。省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中等容量的直流输电在较短的输送距离内也能与交流输电竞争。,上一页,下一页,返回,绪 论, 电力电子补偿控制器。利用现代电力电子技术，在电
15、力系统中引入大功率半导体高频开关型电力电子补偿控制器，可以对电力系统的谐波、无功功率、潮流、电压瞬变、节电电压的大小和相位以及电力系统的瞬时功率平衡等进行快速、有效地调节和控制。 电力电子技术应用的新型领域及未来的发展方向表现在以下几个方面。 环境保护。现代社会对环境造成了严重的污染，温室气体的排放引起了国际社会的普遍关注。一个人的身体一天排出的二氧化碳约为，实际上，现代社会大量的能源消耗是温室气体排放的主要原因，这使得全球人均对环境排放的二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的倍。而发达国家的长期工业化过程又是造成温室气体问题的重要因素。,上一页,下一页,返回,绪 论,例如，美国人均排放二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的倍；日本人均排放二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的倍。改革开放以来，我国的能源消费量急剧上升，二氧化碳排放量也有较大增加。年我国由能源活动引起的二氧化碳排放量约为亿吨，在全球温室气体排放总量中位居第二位，约占。按照我国目前以烧煤为主的能源方案，预计到年，我国的二氧化碳排放量就能超过美国，成为世界第一排放
