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1、 电力电子技术 Power ElectronicsPower Electronics 教师 高金生 苏州市职业大学 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 1 绪论 1.1 电力电子技术的定义 1.2 电力电子技术与相关学科的关系 1.3 电力电子技术发展史 1.4 电力电子技术的应用及其经济意义 1.5 电力电子技术特点及内容 课程学习要求 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 1.1 电力电子技术的定义 q电力技术 利用电力设备（发电机、变压器、输电线、电动机、 开关电器、电感、电容等）组成电力系统，应用电磁 学基本原理处理发电、输电、配电、用电的技术统称 电力技术。 q其应
2、用所依赖的器件是电机、变压器、电抗器、 电容器、开关等 q研究对象是电能的参数（电压、电流的频率、波 形、幅值、相位等 电力电子学电力电子学 (Power Electronics)(Power Electronics)名称名称6060年代出现。年代出现。 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 q电子技术： 利用电子元器件（电子管、半导体器件、集成电路、 微处理器、电感、电容等）组成电子信息系统，应 用电磁学基本原理处理信号的产生、变换、存储、 发送、接收的技术称为电子技术。 q其应用所依赖的器件是电子器件（二极管、三极 管、MOS管、集成电路、微处理器等） q研究对象是载有信息的弱电信
3、号 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 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。 电力电子技术或电力电子学(Power Electronics) 是将现代电子技术和控制技术引入传统的电力技术 领域，利用半导体电力开关器件、半导体集成电路 和微处理器实现电力变换和控制的电气工程新学科 ，是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的 新兴交叉学科， 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 q电力电子技术 电力电子技术，也有人称之为功率电子学，是一种使用电力 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。 q
4、研究对象是各种电力半导体器件以及这些电力电子 器件所构成的各种电路和装置。 q目的是的完成对电能不同的变换和控制。 注： l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。 l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。 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 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 1.2 电力电子技术与相关学科的关系 信息电子技术信息电子技术信息处理信息处理 电力电子技术电力电子技术电力变换电力变换 电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包 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
5、术。括电力电子技术。 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 变流技术变流技术（电力电子器件应用技术）（电力电子器件应用技术） 进行电力变换的技术称为变流技术。 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。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电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。 电力电子技术两大分支 电力电子器件制造技术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电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。 电力电子技术
6、基础 苏 州 市 职 业 大 学 都分为都分为器件器件和和应用应用两大分支。两大分支。 器件器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。 应用应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。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；状态； 电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 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。二者同根同源。 与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学
7、 电力电子技术广泛用于电气工程中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国内外均把电力电子技术归为电气工程的一 个分支。个分支。 电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的 一个分支。一个分支。 与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 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
8、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）的关系与控制理论（自动化技术）的关系 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 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 ） 1904193019471956197019801990 2000 t(年) 晶体管诞生 1.3 电力电子技术的发展史 电力电子技术基础
9、 苏 州 市 职 业 大 学 q 19世纪70年代，有人开始有了用开关控制电能的想法 q 20世纪40年代，随着电子技术的发展人们开始探索用电机、变压器以 外的器件进行电能变换的控制； q 1948年三极管的出现直接引发了电子技术革命； q 1956年人们发明了晶闸管，标志电力电子技术诞生； q 20世纪60年代后以晶闸管为基础的电力电子电路得到广泛应用； q 20世纪70年代后期开始，以不断出现的各种全控器件为基础的电力电 子电路开始逐步得到广泛应用； q 80年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合 而产生了一代高频化、全控型的功率集成器件，从而使电力电子技术 由传统的电
10、力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。 q 电力电子技术的发展还与控制技术的发展紧密相关。控制电路经历了 由分立元件到集成电路(IC)的发展阶段。 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 q 目前，电力电子器件仍然在发展，推动了电力电子技 术应用范围的不断扩大（功率范围扩大、成本降低） ；并且，半导体器件的发展是电力电子发展的关键； q 微电子技术的发展使电力电子装置的控制性能不断提 高； q 众多研究者的努力使电力电子电路的拓扑结构不断翻 新。 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 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、航海电气
11、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为信息电子装置提供动力 家用电器： “ “节能灯节能灯”、变频空调、变频空调 其他： UPSUPS、 航天飞行器、新能源、发电装置航天飞行器、新能源、发电装置 1.4 电力电子技术的应用及其经济意义 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 轧钢机 数控机床 冶金工业 电解铝 1）一般工业 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 2）交通运输 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 3）电力系统 SVCSVC 高压直流装置HV
12、DC 柔性交流输电FACTS 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 4）电子装置用电源 程控交换机 电子装置电子装置 微型计算机 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 5）家用电器 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 6）其他 大型计算机的UPS 航天技术航天技术 新型能源 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 公用电网的恒频、恒压电能经过适当的变换和处理以后 再供负载使用，可以获得更好的技术特性和更大的经济 效益，这可从以下几个方面来说明： q 节能 q电机调速、照明（取代普通镇流器） q 省材 q设备体积、重量减小使铜、铁的使用量减少 q 环保 q节能、省
13、材是环保的具体表现 q 提高产品质量和劳动生产率（供电稳定、快速） q自动化设备 q 提高电力系统自身的运行质量和稳定性 q发电机励磁、柔性输电、高压直流输电、谐波治理、无功补偿 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 1.5 电力电子技术特点及内容 1.5.0 特点 1.5.1 AC/DC基本整流电路 1.5.2 DC/AC基本逆变电路 1.5.3 DC/DC直接变换电路 1.5.4 AC/AC直接变频、变压电路 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 1.5.0 特点 q 以小信号的输入，控制大功率的输出，放大倍数极大 。这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础 。微电子技
14、术和计算机技术的新成就可以通过这一接 口移植到传统工业上。 q 工作于开关状态，正向压降低而反向漏电流小，从而 在理论上保证各类电力电子设备所共有的节能性能。 电力电子技术，主要研究各种 电力半导体器件，以及由这些 电力电子器件所构成的各种电 路和装置，其目的是高效地完 成对电能的不同变换和控制， 功能如右图所示 电力电子装置的功能 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 电力变换可划分为四 类基本变换，相应的有四 种电力变换电路或电力变 换器。 利用以上四种基本变 换电路还可以组合成许多 复合型电力电子电路。 电力电子电路的根本任务是完成交流（AC）和直流（DC） 的相互转换，它们之间
15、的转换关系可以用下图形象地说明。 这种可通过相应的变换器（Converter）来实现。 电力变换类型 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 利用变流机组实现AC/DC变换 2 6 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率的交流电？ 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 如何用电力电子开关器件实现电能的变换？ 分析中我们常常认为图中的开关均为理想开关。此时有: v0=svi （ S称为开关函数 ） 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 1.5.1 AC/DC基本整流电路 工作方式：
16、相控、斩波 分析方法：傅立叶分解 、积分 考虑问题：开关时刻、 滤波 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 ACDC变换，即将交流电能转换为直流 电能，也称为整流，所用的装置叫整流器 （Rectifier）。晶闸管组成的整流器可将不 变的交流电压变换为大小可控的直流电压 ，即实现可控整流。晶闸管可控整流能取 代传统的直流发电机组实现直流电机的调 速，广泛应用于机床、轧钢、造纸、纺织 、充电、电解、电镀等领域。 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 1.5.2 DC/AC基本逆变电路 工作方式：方波、PWM波 分析方法：傅立叶分解 考虑问题：开关时刻、 滤波 31 电力电子技术基础 苏 州 市 职 业 大 学 DCAC变换，即将直流电能变换为交流电能，这是与 整流相反的变换，称为逆变。完成逆变的电力电子装置 叫逆变器（Inverter）。如果将逆变电路的交流侧接到交 流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网 去，称为有源逆变。它用于直流电机的可逆调速、绕线 型异步电机的串级调速、
