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1、电力电子应用技术 Power Electronic Technology Power Electronic Technology谢红第一讲第一讲 电力电子技术概述电力电子技术概述1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 1.21.2电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 1.31.3电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1.41.4主要内容主要内容 1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电子技术电子技术包括包括：信息电子技术信息电子技术 电力电子技术电力电子技术1.1.信信息息电电子子技技术术模拟电子技术和数字电子技术，主要用于信息处理)。2.2.电力电子技术电力电
2、子技术应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换。 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。 电力电子装置的功率，可大到数百MW甚至GW，也可小到数瓦甚至1W以下返回1.1 1.1 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两个分支：电力电子技术的两个分支：电力电子电力电子变流技术变流技术 电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术1 1、电力电子变流技术电力电子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技术，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2、电力电子器件制
3、造技术电力电子器件制造技术的基础，理论基础是半导体物理1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子变流技术：用电力电子器件进行电力变换的技术，简称为变流技术电力变换四大类：交流直流、直流交流、直流直流和交流交流。输入输出交 流直 流直流整流直流斩波交 流交流调压、变频、变相逆 变1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术“电力电子技术电力电子技术”和和“电力电子学电力电子学”电电力力电电子子学学 60年代出现，1974年，美国的W. Newell用图0-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受“电力电子学电力电子学”和“电力电子电力电子技术技术”分别从学术
4、和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同。描述电力电子学的倒三角形1.1 1.1 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技术的关系电力电子技术和电子技术的关系 电子技术 对应 电力电子技术 电子器件 电力电子 电子电路 电力电子电路 电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同 现代电力电子器件制造大都使用集成电路IC)制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。1.1 1.1 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的关系电力电子技术和电子学的关系电力电子电路和电子电路电力电子电路和电子
5、电路许多分析方法一致，仅应用目的不同广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路器件的工作状态器件的工作状态信息电子信息电子 既可放大，也可开关电力电子电力电子 为避免功率损耗过大，总在开关状态 电力电子技术的一个重要特征 1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术与电气工程的关系电力电子技术与电气工程的关系主要关系：主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中。1)电力电子装置广泛用于高压直流输电、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电力系统和
6、电气工程。1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术与电气工程的关系电力电子技术与电气工程的关系主要关系：主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中。通常把电力电子技术归属于电气工程学科电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术与控制理论的关系电力电子技术与控制理论的关系控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置
7、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运动控制一起，和计算机技术共同成电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成 为未来科学技术的为未来科学技术的两大支柱两大支柱。计算机计算机 人脑人脑 电力电子技术电力电子技术 消化系统和循环系统消化系统和循环系统 电力电子运动控制电力电子运动控制 肌肉和四肢肌肉和四肢电力电子技术是电力电子技术是电能变换技术电能变换技术, ,是把是把粗电粗电变为变为精电精电的技术，的技术， 能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源， 因此，电力电子技术将青春永驻。因此，电力电子技术将青春永驻。 一门崭新的技术
8、，一门崭新的技术，2121世纪仍将以迅猛的速度发展。世纪仍将以迅猛的速度发展。1.2地位和未来1.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 q电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，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。返回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）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生电力电子技术的发展史1.3 电力电子技术的发展史电力电子
9、技术的发展史电力电子技术的发展简史电力电子技术的发展简史1904年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管）很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电1.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管1960年我国研究成功硅整流管1962年我国研究成功晶闸管）70年代出现电力晶体管、电力场效应管1.3 电力
10、电子技术的发展史电力电子技术的发展史各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今1.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展
11、也有力地推动了晶闸管的进步。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，因而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晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现1.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史80年代后期开始：复合型器件复合型器件以绝缘栅极双极型晶体管为代表,IGBT是电力场效应管（MOSFET）和双极结型晶体管的复合。它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控
12、制晶闸管和集成门极换流晶闸管等都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。1.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史v功率模块功率模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。v功功率率集集成成电电路路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代 表了电力电子技术发展的一个重要方向 。v智智能能功功率率模模块块则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT。1.3 电力电子技术的发展史电力电
13、子技术的发展史v高压集成电路高压集成电路：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。v智能功率集成电路智能功率集成电路：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。晶闸管复合电力二极管模块IGBT模块功率整流桥模块1.4 1.4 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1)一般工业一般工业直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量
14、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需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源返回轧钢机数控机床冶金工业电解铝1 1）一般工业）一般工业1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用2)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。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2）交通运输交通运输1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制其蓄
15、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、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流 430系列风机水泵专用420型经济系列440型通用型变频器西门子系列变频器1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用3)3)电力系统电力系统 电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子
16、技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。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。近年发展起来的柔性交流输电也是依靠电力电子装置才得以实现的。柔性交流输电是应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。典型电力电子装置有静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（ASVG）、综合潮流控制器
17、（ UPFC） 和 可 控 串 联 电 容 补 偿 器 （ TCSC） 等 3）电力系统电力系统SVCSVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器、有源电力滤波器等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿）的性能。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。低压无功
18、补偿装置. 高压无功补偿装置. 1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用4)电子装置用电源电子装置用电源5)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。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。下图为富士康开关电源。 4）电子装置用电源电子装置用电源
19、程控交换机电子装置电子装置微型计算机1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用5)家用电器家用电器6)照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯7) 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。 5 5）家用电器）家用电器1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用6)其他其他不间
20、断电源在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术美国山特美国山特UPS电源三进三出系列电源三进三出系列，下图为两级，下图为两级UPS接入方式接入方式 1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，
21、常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术离不开电力电子技术。 6 6）其他）其他大型计算机的UPS航天技术航天技术新型能源1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。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，常常需要一些特种电源，这也是
22、电力电子技术的用武之地。 下图为普斯特的HVM系列高压核脉冲电源。1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十瓦以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子装置提
23、供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。 1.4 1.4 主要内容主要内容电力电子器件及其驱动电路AC/DC变换技术DC/DC变换技术交流/直流变频技术PWM控制技术矩阵变频技术软开关技术返回电力电子器件及其驱动电路电力电子器件及其驱动电路1.电力二极管2.门极可关断晶闸管3.电力场效应晶体管4.绝缘栅双极晶体管5.MOS控制晶闸管DC/DCDC/DC变换技术变换技
24、术1.基本斩波电路1)降压斩波电路2)升压斩波电路3)升降压斩波电路和Cuk斩波电路4)Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 2.复合斩波电路和多相多重斩波电路1)电流可逆斩波电路 2)桥式可逆斩波电路3)多相多重斩波电路无源逆变与无源逆变与PWMPWM控制技术控制技术1.无源逆变的工作原理 1)引言2)无源逆变的基本原理3)电压型逆变电路4)电流型逆变电路5)多重逆变电路和多电平逆变电路2.PWM控制技术1)引言2)PWM控制的基本原理3)PWM逆变电路及其控制方法4)PWM跟踪控制技术5)PWM整流电路及其控制方法矩阵变频技术矩阵变频技术三相单相矩阵变频技术的基本原理三相三相矩阵变频技术的基本原理软开关技术软开关技术1.概述2.软开关的基本概念1)硬开关与软开关2)零电压开关与零电流开关3.软开关电路的分类4.典型的软开关电路1)零电压开关准谐振电路2)谐振直流环3)移相全桥型零电压开关PWM电路4)零电压转换PWM电路
