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绪论,1、电力电子技术。2、电力电子技术的发展和应用。3、本课程的要求和学习。,电力电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的控制技术。（主要用于电力变换）,,■,,一、何谓电力电子技术,1、电子技术,信息电子技术模拟、数字电子技术,目前电力电子器件均用半导体制成，故也称为电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”可大到数兆瓦。,,■,,从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池、干电池得到的是直流。,2、电力交流和直流,1）交流变直流整流2）直流变交流逆变3）直流变直流直流斩波4）交流变交流交流电力控制（电压、电力变换）；变频或变相变换,,■,,3、电力变换的四大类型,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变流技术。变流技术是电力电子技术的核心。,,■,,应用可控整流、有源逆变、交流调压、无源逆变、斩波器、周波变换器。,4、变流技术（电力电子器件应用技术）,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。,,■,,5、电力电子技术与电子学的关系,电子器件电力电子器件电子电路电力电子电路,1）电子学,2）电力电子电路和电子电路,电力电子为避免功率损耗过大，总在开关状态。,,■,,3）器件的工作状态,信息电子既可放大，也可开关。,电力电子技术的一个重要特征,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电气工程。,,■,,6、电力电子技术与电气工程的关系,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。,,■,,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，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。,,■,,7、电力电子技术与控制理论的关系,电力电子技术的诞生以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。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。,,■,,二、电力电子技术的发展史,水银整流器的出现，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以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。,,■,,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。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。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）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。,,■,,1、晶闸管（1957年开始）,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。,,■,,80年代后期开始复合型器件以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表。IGBT是MOSFET和BJT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。,,■,,2、复合型器件和功率集成电路,与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。,,■,,功率集成电路把驱动、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。,,■,,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。,交、直流调速；整流电源；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。,,■,,三、电力电子技术的应用,1）一般工业,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,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。电梯也是交通运输，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。,,■,,,■,,3）电力系统,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（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。,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。,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（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）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。,,■,,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。,,■,,4）电子装置用电源,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。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、洗衣机、电冰箱、微波炉等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。,,■,,5）家用电器,不间断电源（UPS）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,,■,,6）其他,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，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。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。,,■,,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。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。,,■,,电力电子装置提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。,,■,,掌握各种变流线路的基本物理概念（工作原理、计算依据、控制方法）。,■,,,四、本课程的任务和要求,研究各变流装置的电磁过程、基本原理、控制方法及参数计算。,1、任务,2、要求,必须掌握波形分析法，着重基本概念，基本训练。,■,,,五、本课程学习方法,抓住几个数量关系UdfαIdfαIfαITAVfα,注意不同性质的负载对变流装置的影响1）电阻性负载2）电感性负载3）反电势负载,,■,,,■,,电力电子技术（武汉工业大学）电力电子技术基础（清华）可控硅整流电路晶闸管变流技术,六、参考书,
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