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问题的提出：直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种•旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。•静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。•直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）•G-M系统工作原理由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。•G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2G-M系统机械特性静止式可控整流器图1-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）•V-M系统工作原理晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。•V-M系统的特点与G-M系统相比较：–晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。–在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。•V-M系统的问题–由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。–晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。–由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。直流斩波器或脉宽调制变换器在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。M++__VDVTUsa）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M1.直流斩波器的基本结构图1-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形2.斩波器的基本控制原理在原理图中，VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T–ton时间内被斩断，故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为3.输出电压计算ssondUUTtU(1-2)式中T—晶闸管的开关周期；ton—开通时间；—占空比，=ton/T=tonf；其中f为开关频率。这些技术都属于电力电子技术为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。第八章电力电子学基础学习要求:•掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；•掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点；•熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；•了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。前言电力（强）电子学电力半导体器件微（弱）电子学集成电路半导体器件电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。电力半导体器件弱电强电电力电子学科的形成1.电力技术2.电子技术3.电力电子技术电力电子学科的形成（续1）电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。利用电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。1.电力技术电力电子学科的形成（续2）电子技术又称为电子学，它是与电子器件、电子电路以及电子设备和系统有关的科学技术。电子技术是研究电子器件，以及利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。又称为信息电子技术或信息电子学。2.电子技术电力电子学科的形成（续3）也称为电力电子学。利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用集成电路和微处理器构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，经济有效地实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲3.电力电子技术(PowerElectronics)1.2电力电子技术的发展史20/21■电力电子技术的发展史图1-3电力电子技术的发展史◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。1.2电力电子技术的发展史◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。☞电子管(1904)，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用于电力领域的先河。☞水银整流器(1930s-1950s)，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。这一时期，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。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。1.2电力电子技术的发展史◆晶闸管时代☞晶闸管凭借其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。☞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，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，简称相控方式。☞晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。22/211.2电力电子技术的发展史◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC）☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。☞在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。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。23/211.2电力电子技术的发展史☞把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。☞随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。电力变换电路的类型电源可分为两类：直流电（D.C），频率f=0交流电（A.C），频率f0电力变换按电压(电流)的大小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器电力电子变换和控制的技术经济意义为了满足一定的生产工艺和流程的要求，供电电源的电压、频率甚至波形都必须满足各种用电设备的不同要求。将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为各个用电设备最佳工况所需要的另一种特性和参数(频率、电压、相位和波形)的电能，再供负载使用，用电设备可以获得更好的技术特性和更大的经济效益。1.3电力电子技术的应用■电力电子技术的应用范围◆一般工业☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。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，以达到节能的目的。避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。☞电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源☞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及直流电弧炉电源等场合。电机传动1.3电力电子技术的应用◆交通运输☞电气化铁道：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。☞电动汽车：电机依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、船舶和电梯都离不开电力电子技术。29/21富士高速机车1.3电力电子技术的应用◆电力系统☞用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。☞直流输电：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，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。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。☞电能质量提高：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。☞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。☞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。31/211.3电力电子技术的应用32/21图中国南方电网公司安顺换流站静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）1.3电力电子技术的应用◆电子装置用电源☞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。☞在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。33/211.3电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。34/21☞新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电力电子技术。☞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，常需要一些特种电源。图1-7风场新能源发电电力电子器件•不可控器件•半控型器件•全控型器件不可控器件•二极管是一种不可控器件，其在电路中的图形符号和伏安特性如图2-1所示，二极管在电路中常用D表示。从伏安特性可见，当阳极电压大于阴极电压0.7V时二极管导通,当施加反向电压值达到击穿电压时二极管被击穿。利用二极管具有的单方向导电性，在电路中广泛用作：整流、箝位、隔离和续流。变流电路中用于整流和续流的二极管是功率二极管。电力二极管39电力二极管实物图半控型器件•晶闸管(SCR)•双向晶闸管(TRIAC)晶闸管(SCR)•晶闸管的结构和符号•晶闸管的工作原理•晶闸管的伏安特性晶闸管（SiliconControlledRe