电力电子技术西安交通大学_王兆安_第五版第1-4章节幻灯片

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1、(第5版) 第1章 绪论 （第4版为“概述”，无章序号）,西安交通大学 电气工程学院 王兆安 2009.11.28,第1章 绪论,1.1 什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介,1.1 什么是电力电子技术,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电力领域的电子技术。 电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于“电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网的“电力” ，前者则更一般些。 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。,3/7,1.1 什么是电力电子

2、技术,具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。 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。,4/7,表1-1 电力变换的种类,1.1 什么是电力电子技术,电力电子学 美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。,5/7,图1-1 描述电力电子学的倒三角形,1.1 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

3、。 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。,6/7,1.1 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、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1-2 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系。,7/7,1.1 什么是

4、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。,8/7,1.2 电力电子技术的发展史,9/7,电力电子技术的发展史,图1-3 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1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。,1.2 电力电子技术的发展史,晶闸管出现前的时期

5、可称为电力电子技术的史前期或黎 明期。 1904年出现了电子管，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。 20世纪30年代到50年代，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，也应用直流发电机组来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了 电子技术的一场革命。,10/7,1.2 电力电子技术的发展史,晶闸管时代 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

6、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。,11/7,1.2 电力电子技术的发展史,全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管 （BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器 件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极

7、（基极、栅极）的控 制既可使其开通又可使其关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM） 方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。 在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合 型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。 与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT） 复合了MOSFET和GTO。,12/7,1.2 电力电子技术的发展史,把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在 一起，构成电力电子集成电路（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PIC

8、为代表的单片集成技术、混合集成 技术以及系统集成技术。 随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子 电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技 术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗 降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。,13/7,1.3 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。 一般工业 工业中大量应用各种交直流电动机，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变频装置，以达到节能的目

9、的。,14/7,1.3 电力电子技术的应用,15/7,图1-4 AB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。 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。,1.3 电力电子技术的应用,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 直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。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

10、。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。 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，它们也要靠变频器和斩波器 驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。,16/7,1.3 电力电子技术的应用,电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能 至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电在长距离、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，而轻型直流输电则主 要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（

11、FACTS） 也是依靠电力电子装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止 无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量 用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。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。,17/7,1.3 电力电子技术的应用,18/7,图1-5 中国南方电网公司安顺换流站,图1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）,1.3 电力电子技术的应用,电子装置用电源

12、各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流 电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电 源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型 器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、 微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要不间断电源 （Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不 间断电源实际就是典型的电力电子装置。,19/7,1.3 电力电子技术的应用,家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量 能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、 电冰箱、微波炉等电器也

13、应用了电力电子技术。 其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器 也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来 起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强 大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。,20/7,1.3 电力电子技术的应用,21/7,新能源、可再生能源发电比如风 力发电、太阳能发电，需要用电力 电子技术来缓冲能量和改善电能质 量。当需要和电力系统联网 时，更 离不开电力电子技术。 核聚变反应堆在产生强大磁场和 注入能量时，需要大容量的脉冲电 源，这种电源就是电力电子装置。 科学实验或某些特殊场合，常常需 要一些特

14、种电源，这也是电力电子 技术的用武之地。,图1-7 风场,1.4 本教材的内容简介,本教材的内容,22/7,第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件电力二极管 2.3 半控型器件晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结,引言,模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容： 对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概述 。 分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。,24/7,2.1 电力电

15、子器件概述,2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点,25/7,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念 电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。,26/7,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的特征 所能处理电功率的大小，也就是

16、其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。 由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。 自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。,27/7,2.1.1 电力电子器件的概念和特征,通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,28/7,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,2.1.2 应用电力电子器件的系统组成,电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。,29/7,电气隔离,图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,2.1.3 电力电子器件的分类,按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器