【正文】 第 1章 緒論 什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介 什么是電力電子技術(shù) ■ 電力電子技術(shù)的概念 ◆ 電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于 電力 領(lǐng)域的 電子 技術(shù)。 ? 電力電子技術(shù)中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” 。 ? 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù) (模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù) )和電力電子技術(shù)兩大分支。 2/21 什么是電力電子技術(shù) ◆ 具體地說，電力電子技術(shù)就是使用 電力電子器件 對(duì) 電能 進(jìn)行 變換 和 控制 的技術(shù)。 ? 電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。 ? 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心 。 輸入 輸出 交流 （ AC） 直流 （ DC） 直流 （ DC） 整流 直流斬波 交流 （ AC） 交流電力控制 變頻、變相 逆變 3/21 表 11 電力變換的種類 什么是電力電子技術(shù) ■ 電力電子學(xué) ◆ 美國(guó)學(xué)者 W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由 電力學(xué) 、 電子學(xué) 和 控制理論 三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。 4/21 圖 11 描述電力電子學(xué)的倒三角形 什么是電力電子技術(shù) ? 電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)的理論和工藝與用于信息變換的電子器件制造技術(shù)相同。 ? 電力電子技術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。 5/21 什么是電力電子技術(shù) ? 電力電子技術(shù)與電氣工程學(xué)科的關(guān)系 隸屬于電氣工程一級(jí)學(xué)科 電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展必須依賴其它學(xué)科 電力電子技術(shù)促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展 圖 12 電氣工程的雙三角形描述 6/21 什么是電力電子技術(shù) ? 電力電子技術(shù)和控制理論 ? 控制理論使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。 ? 電力電子技術(shù)是弱電和強(qiáng)電之間的接口而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 ? 控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。 7/21 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 8/21 ■ 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 圖 13 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以 1957年 美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè) 晶閘管 為標(biāo)志。 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎 明期。 ? 電子管 (1904) ，在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。 ? 水銀整流器 (1930s1950s)， 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。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用 直流發(fā)電機(jī)組 來變流。 ? 1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了 晶體管， 引發(fā)了 電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。 9/21 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 晶閘管時(shí)代 ? 晶閘管憑借 其優(yōu)越的電氣性能和控制性能 ， 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 。 ? 晶閘管是通過對(duì)門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 相控方式 。 ? 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn) 。 這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限 。 10/21 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ◆ 全控型器件和電力電子集成電路（ PIC） ? 70年代后期，以 門極可關(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（ PowerMOSFET） 為代表的 全控型器 件 迅速發(fā)展。 全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可使其開通 又可使其 關(guān)斷 。 ? 采用全控型器件的電路的主要控制方式為 脈沖寬度調(diào)制（ PWM） 方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為 斬波控制方式 ，簡(jiǎn)稱 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 集成門極換流晶閘管（ IGCT） 復(fù)合了 MOSFET和 GTO。 11/21 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 ? 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。電力電子集成 技術(shù)包括以 PIC為代表的 單片集成技術(shù) 、 混合集成 技術(shù) 以及 系統(tǒng)集成技術(shù) 。 ? 隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子 電路的 工作頻率 也不斷提高。與此同時(shí)， 軟開關(guān)技 術(shù) 的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的 開關(guān)損耗 降為零，從而提高了電力電子裝置的 功率密度 。 12/21 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ■ 電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍 ◆ 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)等近年來也采用了 變頻裝置 ，以達(dá)到節(jié)能的目的。避免調(diào)速電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊的軟起動(dòng)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。 13/21 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 交通運(yùn)輸 ? 電氣化鐵道：電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用 整流裝置 ，交流機(jī)車采用 變頻裝置 。 直流斬波器 也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，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，車輛中的各種 輔助電源 也都離不開電力電子技術(shù)。 ? 電動(dòng)汽車：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 的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)高 級(jí)汽車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電力電子技術(shù)。 14/21 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 電力系統(tǒng) ? 用戶終端： 發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶使用的電能中，有 60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 ? 直流輸電： 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)展起來的 柔性交流輸電（ FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 ? 電能質(zhì)量提高： 晶閘管控制電抗器（ TCR） 、 晶閘管投切電容器（ TSC） 、 靜止無功發(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。 ? 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。 15/21 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 16/21 圖 15 中國(guó)南方電網(wǎng)公司安順換流站 圖 16 靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下） 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 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 高頻開關(guān)電源 。 ? 在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合 ， 常常需要 不間斷電源（ Uninterruptible Power Supply__ UPS） 供電 ， 不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置 。 17/21 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 家用電器 ? 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。 ? 空調(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)。 ◆ 其它 ? 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 起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng) 大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。 18/21 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。 19/21 ? 新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術(shù)來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)，更離不開電力電子技術(shù)。 ? 核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常需要一些特種電源。 圖 17 風(fēng)場(chǎng) 本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介 ■ 本教材的內(nèi)容 20/21 ■ 參考書目 ? 趙良炳 .現(xiàn)代電力電子器件基礎(chǔ) .北京 :清華大學(xué)出版社 ,1995. ? 丁道宏 .電力電子技術(shù) .北京 :航空工業(yè)出版社,1992. ? 張占松 ,蔡宣三 .開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) .北京 :電子工業(yè)出版社 ,1998. ? 李先允 ,陳剛 .電力電子技術(shù)習(xí)題集 .北京 :中國(guó)電力出版社 ,2022. ■ 網(wǎng)絡(luò)資源 ? ? m/ 21/21 學(xué)習(xí)目標(biāo) ? 初級(jí)目標(biāo)：掌握常用電力電子器件工作原理、基本電路及控制方法。 ? 中級(jí)目標(biāo)：能利用上述知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單電力電子裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)。 ? 高級(jí)目標(biāo)：綜合利用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)實(shí)際需要的電力電子裝置。 學(xué)習(xí)方法 ? 在掌握電力電子器件和基本電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用分段線性分析方法，熟悉電路中主要器件工作波形。 ? 充分利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電路工作原理和相關(guān)器件工作波形。 ? 發(fā)揮現(xiàn)代電力電子仿真軟件的作用，加強(qiáng)對(duì)本課程的感性認(rèn)識(shí)。 22/21 第 2章 電力電子器件 電力電子器件概述 不可控器件 —— 電力二極管 半控型器件 —— 晶閘管 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié) 24/89 引言 ■ 模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) —— 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) —— 電力電子器件 ■ 本章主要內(nèi)容： ◆ 概述電力電子器件的 概念 、 特點(diǎn) 和 分類 。 ◆ 分別介紹各種常用電力電子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。 25/89 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) 26/89 電力電子器件的概念和特征 ■ 電力電子器件的概念 ◆ 電力電子器件（ Power Electronic Device） 是指可直接用于處理電能的 主電路 中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的 電子器件 。 ? 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 ? 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件 。 27/8