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1、电力电子技术电力电子技术绪绪 论论 电力电子技术的概念 一、电力电子学又称功率电子学（power electronics），它是研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能进行转换、控制和优化利用的技术。它运用弱电（电子技术）控制强电（电力技术），是强弱电相结合的新学科。电力电子技术是目前最活跃、发展最快的学科之一，随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术科学。绪绪 论论 电力电子技术的发展 二、电力电子技术是以电力电子器件为核心发展起来的。一般认为
2、，1957年以前为电力电子技术的史前期或黎明期，这个阶段，整流电路和逆变电路的理论已发展成熟，电子技术已经应用于电力领域，特别是1947年晶体管的出现，引起了电子技术的一场革命。1957年，美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管标志着电力电子技术的诞生。绪绪 论论晶闸管（SCR）是一种半控型器件，通过门极只能控制它的导通而不能控制它的关断，晶闸管的关断经常使用电网电压等外部条件来实现，这使得它的应用受到了限制。20世纪70年代后期出现了以门极可关断晶闸管(GTO)、双极型功率晶体管(BJT)、功率场效应晶体管(P-MOSFET)为代表的全控型器件。这些器件的特点是通过门极（基极，漏极）直接可以控
3、制器件的通断。绪绪 论论20世纪 80年代后期，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，它是BJT和MOSFET的结合，综合了两者的优点。一般情况下，电压容量从低到高的顺序依次为P-MOSFET、IGBT、BJT、GTO、SCR，其中IGBT和BJT的电压容量接近，GTO和SCR的电压容量接近。电流容量从低到高的顺序依次为P-MOSFET、IGBT、BJT、GTO、SCR，其中IGBT和BJT的电流容量接近。开关频率从低到高的顺序依次为SCR、GTO、BJT、IGBT、P-MOSFET，其中IGBT和BJT的开关频率接近。绪绪 论论电力电子器件的发展历程示意图如图0-1所示
4、，其应用情况如图0-2所示。图0-1 电力电子器件的发展历程示意图绪绪 论论图0-2 电力电子器件的应用情况绪绪 论论 电力电子技术的应用 三、电力电子技术的应用领域相当广泛，遍及庞大的发电厂设备到小巧的家用电器等几乎所有电气工程领域。容量可达1 GW至几瓦不等，工作频率也可由几赫兹至100 MHz。绪绪 论论一般工业一般工业1.工业中大量应用各种交直流电动机，为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，使得交流电动机的调速性能可与直流电动机相媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。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
5、到节能的目的。还有一些不调速的电动机为了避免起动时的电路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、淬火电源等场合。绪绪 论论交通运输交通运输2.电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电力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。除牵引电动机传动外，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。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
6、力电子技术。绪绪 论论电力系统电力系统 3.电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能要经过一次以上的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，电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流器和受电端的逆变器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。绪绪 论论电子装置用电源电子装置用电源4.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
7、源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，由于开关电源体积小、质量轻、效率高，现在已逐步取代了线性电源。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。绪绪 论论家用电器家用电器5.种类繁多的家用电器，小至调光灯具、高频荧光灯具，大至通风取暖设备、微波炉及众多电动机驱动设备都离不开电力电子技术。绪绪 论论其他其他6.目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1 kW以下，甚至几十瓦以下的功率范围
8、内，电力电子技术的应用也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。绪绪 论论 本课程常涉及的基础知识 四四、为学习本课程，先复习几个常用的知识点。绪绪 论论平均值、有效值的概念平均值、有效值的概念1.绪绪 论论正弦量的三要素正弦量的三要素2.正弦交流电压在一个周期内的波形图如图0-3所示。图0-3 正弦交流电压在一个周期内的波形图绪绪 论论（1）振幅值（最大值）。正弦量瞬时值中的最大值称为振幅值，又称峰值。用大写字母带下标“m”表示，如Um、
9、Im。（2）角频率。角频率表示正弦量在单位时间内变化的弧度数，用表示，即 （0-5）（0-6）式中，为t时间段内正弦量变化的弧度数；T为正弦量的周期；f为正弦量的频率。绪绪 论论（3）初相。某交流电压的瞬时值表达式为e=Emsin(t+)，式中的(t+)是反映正弦量变化进程的电角度，可根据(t+)确定任一时刻交流电的瞬时值，把这个电角度称为正弦量的相位或相位角，把t=0时刻正弦量的相位称为初相，用字母表示。规定|不超过弧度。绪绪 论论RLCRLC串联电路串联电路3.根据电路的性质，RLC串联电路有以下三种。（1）电感性电路：XLXC，此时X0，ULUC；阻抗角0。（2）电容性电路：XLXC，此
10、时X0，ULUC；阻抗角0。（3）电阻性电路：XL=XC，此时X=0，UL=UC；阻抗角=0。绪绪 论论谐振的概念谐振的概念4.（1）串联谐振。串联谐振电路的结构如图0-4所示。图0-4 串联谐振电路的结构绪绪 论论串联谐振的条件如式（0-7）所示。（0-7）串联谐振的基本特征如下。谐振时，阻抗最小，且为纯阻性。因为谐振时X=0，所以Z=R，|Z|=R。谐振时,电路中的电流最大，且与外加电源电压同相。谐振时，电路的电抗为零。绪绪 论论（2）并联谐振。并联谐振电路的结构如图0-5所示。图0-5 并联谐振电路的结构绪绪 论论并联谐振条件如式（0-8）所示。（0-8）并联谐振的基本特征如下。谐振时，
11、导纳为最小值，阻抗为最大值，且为纯阻性。谐振时，总电流最小，且与端电压同相。谐振时，电感支路与电容支路的电流大小近似相等，为总电流的Q倍，Q为品质因数。绪绪 论论三相电源和三相负载三相电源和三相负载5.1 1）三相电源三相电源振幅相等、频率相同、相位彼此互差120角的三个正弦电压源，构成一组对称三相电源。任意时刻对称三相正弦量的三个瞬时值之和恒等于零，它们的相量之和也等于零。三相电源有星形（）和三角形（）两种接法。（1）星形（）连接：线电压的有效值为相电压的3倍，相位超前于相应的相电压30。四线制可以提供线电压和相电压两组不同的对称三相电压，而三线制只能提供线电压。（2）三角形（）连接：线电压
12、就是相应的相电压。绪绪 论论2 2）三相负载三相负载（1）星形（）连接。四线制：中线阻抗一般小于负载阻抗，中点电压接近于零。不计线路阻抗时，各相负载的电压等于各相电源的电压。不论负载对称与否，负载端的电压总是对称的。若负载对称，则负载相电流（即线电流）也对称，中线电流为零，可以省去中线而成为三线制电路。必须保证中线可靠连接。三线制：负载对称时，与四线制负载对称时的情况相同。负载不对称时，将导致中点位移，使负载端电压不对称，有烧毁负载的危险。绪绪 论论（2）三角形（）连接。负载的相电压等于电源的线电压，总是对称的。若负载对称，则各相电流、线电流也分别对称，且线电流的有效值为相电流的3倍，相位滞后于相应的相电流30。绪绪 论论二极管和三极管二极管和三极管 6.二极管的门槛电压或死区电压（也称阈值电压），硅管约为0.5 V，锗管约为0.1 V。导通后，硅管的正向导通压降为0.60.7 V，锗管为0.20.3 V。在对锯齿波触发电路进行分析时，二极管正向压降按0.7 V算，晶体管饱和压降按0.3 V算。谢谢大家！the end