电力电子技术01-绪论

文章目录

1. 1. 什么是电力电子技术
2. 2. 电力电子技术与相关学科的关系、地位
   1. 2.1. 与电子学（信息电子技术）的关系
   2. 2.2. 与电力学（电气工程）的关系
   3. 2.3. 与控制理论（自动化技术）的关系
3. 3. 电力电子技术的发展史
   1. 3.1. 史前期
   2. 3.2. 晶闸管时期
   3. 3.3. 复合型器件时期
4. 4. 电力电子技术的应用
5. 5. 参考资料

《电力电子技术(第五版)》学习笔记
本节内容对应书中第一章 绪论；对应页码p1-p9

什么是电力电子技术

电子技术的分类

电力电子技术是使用器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术使用的器件是电力半导体器件，主要用于电力变换，而信息电子技术主要用于信息处理，这是二者的主要区别。
电力电子技术可分为器件制造技术与变流技术。其中器件制造技术，即制造晶闸管、电力晶体管、IGBT等电力电子器件的技术是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理。变流技术包括使用电力电子器件构成电力变换电路、电力装置、电力电子系统，以及对电力电子系统进行控制的技术，变流技术是电力电子技术的核心，其理论基础为电路理论。

电力变换可分为四大类：
四种电力变换

1. 交流变直流（AC-DC）——整流
2. 直流变交流（DC-AC）——逆变
3. 直流变直流（DC-DC）——斩波
4. 交流变交流（AC-AC）——变频（交流电力控制，可以是电压、频率、相数的变换）

电力电子技术与相关学科的关系、地位

与电子学（信息电子技术）的关系

• 都分为器件和电路应用两大分支
• 器件制造技术的理论基础均基于半导体理论；材料、工艺基本相同，采用微电子技术
• 电路应用的分析方法、分析软件基本相同
• 信息电子器件工作在开关、放大状态；电力电子器件工作在开关状态

与电力学（电气工程）的关系

• 电力电子技术广泛用于电气工程中
• 应用场景：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
• 电力电子技术是电气工程学科最活跃的一个分支

与控制理论（自动化技术）的关系

• 控制理论广泛用于电力电子系统中
• 电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口的有力纽带
• 电力电子装置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为未来科学技术的两大支柱。
若把计算机比作人的大脑，电力电子技术就可以比作人的消化系统与循环系统，可以实现能量的转换（电网或其他电源提供的“粗电”转化为易于消化利用的“精电”）。电力电子技术和运动控制还可以比作人的肌肉和四肢，可以使人运动和从事劳动，以实现大脑指令的执行。
电力电子技术作为20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。

电力电子技术的发展史

史前期

• 1904年，电子管诞生，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术应用于电力领域的先河。
• 水银整流器流行于二十世纪30到50年代，它将水银封于管内，利用对其蒸汽的点弧可对大电流进行控制，在晶闸管未问世的时代广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电、轧钢用直流电动机的传动以及直流输电。
• 交流变直流的方法除水银整流器外，还有电动机—直流发电机组，即变流机组。
• 1947年，贝尔实验室发明晶体管。

晶闸管时期

• 1957年，晶闸管问世，取代水银整流器与旋转变流机组，广泛应用于电化学工业、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）。
• 晶闸管是半控型器件（通过对门极的控制使其导通而不能关断），电路控制方式为相位控制，晶闸管关断需要依靠电网电压等外部条件实现，有一定的局限性。
• 20世纪70年代，全控型器件迅速发展。包括门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）、电力场效应晶体管（Power-MOSFET）等。全控型器件可以通过对门极的控制既可对其开通又可对其关断，且开关速度高于晶闸管。
• 全控型器件的控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式，又称斩波控制。

复合型器件时期

• 80年代后期以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，IGBT是全控型器件，是MOSFET和BJT的复合体，IGBT兼具MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点与BJT通态压降小、载流能力大、可承受电压高的优点。
• MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）是MOSFET和GTO的复合体，同样综合了两种器件的优点。
• 电力电子集成电路（PIC）将驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成到了一起。PIC结构紧凑、体积小，这给应用带来了很大的方便。 除以PIC为代表的单片集成技术，电力电子集成技术还包括混合集成与系统集成。
• 软开关技术应运而生，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）是软开关的基本形式。软开关可以有效降低开关损耗，进而提高开关频率与电力电子装置的功率密度。

电力电子技术的应用

1. 一般工业：各类交直流电动机（轧钢机、数控机床、矿山牵引、大型鼓风机）、电机软起动装置、电化学工业整流电源（电解铝、电解食盐水、电镀装置）、冶金工业（感应加热电源、淬火电源、直流电弧炉电源）
2. 交通运输：电气化铁道、电动汽车、飞机、船舶、电梯。
3. 电力系统：直流输电、柔性交流输电、无功补偿和谐波抑制、电能质量控制。
4. 电源：程控交换机、大型计算机、各类信息技术装置的电源。不间断电源（UPS）。
5. 家用电器：节能灯、变频空调等。
6. 其他：航天领域、太阳能发电与风力发电缓冲储能装置、抽水储能发电站、超导储能、特种电源。

电力电子技术研究的是电源技术——电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源以及变频交流电源。
电力电子技术是节能技术——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。

参考资料

• 王兆安,刘进军. 电力电子技术(第5版)[M]. 北京:机械工业出版社,2009