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1、第 1章 緒 論 1.1 什么是電力電子技術 1.2 電力電子技術的發(fā)展史 1.3 電力電子技術的應用 1.4 本教材的內(nèi)容簡介 2/7 1.1 什么是電力電子技術電力電子技術的概念 可以認為，所謂電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術。 電力電子技術中所變換的“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” ，前者則更一般些。 電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數(shù)字電子技術都屬于信息電子技術。 3/7 1.1 什么是電力電子技術具體地說，電力電子技術就是使用電力電子器件 對電能進行變換和控制的技術。 電力電子器件的制造技術是電力
2、電子技術的基礎。 變流技術則是電力電子技術的核心。 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 表1-1 電力變換的種類 4/7 1.1 什么是電力電子技術電力電子學 美國學者W. Newell認為電力電子學是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。 圖1-1 描述電力電子學的倒三角形 5/7 1.1 什么是電力電子技術電力電子技術和電子學 電力電子器件的制造技術和用于信息變換的電子器件制造技術的理論基礎（都是基于半導體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。 電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。電力電子技
3、術和電力學 電力電子技術廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學和電力學的主要關系。 6/7 1.1 什么是電力電子技術 各種電力電子裝置廣泛應用于高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電 圖1-2 電氣工程的雙三角形描述子技術歸屬于電氣工程學科。在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學科。圖1-2用兩個三角形對電氣工程進行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學科和其他學科的關系，小三角形則描述了電氣工程一級學科內(nèi)各二級學科的關系。 7/7 1.1 什么是電力電子技術電力電子技術和控制理論 控
4、制理論廣泛用于電力電子技術中，它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的各種需求。電力電子技術可以看成是弱電控制強電的技術，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐帶。 另外，控制理論是自動化技術的理論基礎，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。 8/7 1.2 電力電子技術的發(fā)展史電力電子技術的發(fā)展史 圖1-3 電力電子技術的發(fā)展史 一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標志的。 9/7 1.2 電力電子技術的發(fā)展史晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術的史前期或黎明期。 1904年出現(xiàn)了電
5、子管，它能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術用于電力領域的先河。 20世紀30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應用。在這一時期，也應用直流發(fā)電機組來變流。 1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術的一場革命。 10/7 1.2 電力電子技術的發(fā)展史晶閘管時代 晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組，并且其應用范圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘
6、管及晶閘管變流技術的發(fā)展而確立的。 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。 11/7 1.2 電力電子技術的發(fā)展史全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關斷。 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
7、（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。 在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復合，綜合了兩者的優(yōu)點。 與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復合了MOSFET和GTO。 12/7 1.2 電力電子技術的發(fā)展史把驅動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術包括以PIC為代表的單片集成技術、混合集成技術以及系統(tǒng)集成技術。隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電子電路的工作頻率也不
8、斷提高。與此同時，軟開關技術的應用在理論上可以使電力電子器件的開關損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。 13/7 1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。 一般工業(yè) 工業(yè)中大量應用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調(diào)速的。 一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。 14/7 1.3 電力電子技術的應用 圖1-4 AB變頻器 有些并不特別要求調(diào)速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動
9、裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電化學工業(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。電力電子技術還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。 15/7 1.3 電力電子技術的應用交通運輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。 電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一
10、臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。 飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。 16/7 1.3 電力電子技術的應用電力系統(tǒng) 據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，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。 直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，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現(xiàn)的。 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
11、于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。 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。 17/7 1.3 電力電子技術的應用 圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下） 18/7 1.3 電力電子技術的應用電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機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電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部
12、的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關電源。 在大型計算機等場合，常常需要不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。 19/7 1.3 電力電子技術的應用家用電器 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、音響設備、家用計算機， 不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。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。 抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術來起動和調(diào)速。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。 20/7 1.3 電力電子技術的應用總之，電力電子技術的應用越來越廣，其地位也越來越重要。 新能源、可再生能源發(fā)電比如風力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時，更離不開電力電子技術。核聚變反應堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術的用武之地。 圖1-7 風場 21/7 1.4 本教材的內(nèi)容簡介本教材的內(nèi)容
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