电力电子应用技术书第1章绪论.doc

第1章 绪 论 自1891年世界首次采用交流输电以来，交流电就成为送达用户端的主要电能形式，但用电负载有直流负载和交流负载两大类，相应的供电电源就需要直流和交流两种形式，因此电能需要变换。 随着越来越多非线性负载的使用，供电质量变得越来越差；而随着各种用电设备或单元的数字化、信息化和多样化发展，需要的电源种类、等级和质量要求却不断提高。因此，更需要对电能进行高质量的变换。 早期，把交流电变换为直流电经历了机械整流器、闸流管整流器和引燃管整流器的阶段。1900年美国纽约地铁列车供电电源就采用机械整流器从交流电网中获取直流电源；1928年，实用化的闸流管整流器使直流输出端的电压可以不随交流输入电压的波动而变化，随后闸流管和引燃管整流器的应用得到很大重视。1935年，高压直流输电在美国纽约得以实现。在整个30年代直到40年代后期，这两种器件大量应用于高功率变换的场合。 1957年，美国通用电气公司发明了硅可控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR) ， 简称可控硅，后被国际电工学会正式命名为晶闸管(Thyristor)。晶闸管的问世，不仅可把交流电变换为直流电，还能把直流电变换为交流电和其它特殊的电能形式。从此，新型电力电子器件不断涌现，性能不断提高，并各具电气特性和使用特点，以适应不同的应用领域和电能变换电路的设计要求。 把各种电力电子器件实用、高效、可靠地应用于电能变换系统，是电力电子应用技术的研究任务。 2000年，IEEE终身会士、美国电力电子学会前主席Thomas G. Wilson 给电力电子技术重新下了一个定义：电力电子技术是通过静止的手段对电能进行有效的转换、控制和调节，从而把可利用的输入电能形式变成所希望的输出电能形式的技术(Power electronics is the technology associated with the efficient conversion, control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form)。IEEE电力电子学会在网站上(网址为)给出的定义是：电力电子技术是把电子电路应用到电能变换中的技术。它包括电子器件的使用、电路理论的研究和设计技术的应用，以及为提高变换效果所需各种分析工具的开发。 从定义可见，电力电子技术与电力电子应用技术的研究内容似乎没有什么区别。本书把电力电子元器件的设计、制造和封装等归入电力电子技术的范畴，而不归入电力电子应用技术的范畴。所以，本书重在研究电力电子元器件的合理使用，使其高效、实用、可靠地控制电能变换；重在对电能变换电路的设计、电力电子系统的控制、以及电力电子技术在工业中应用的研究。 1.1电力电子应用技术的主要内容 电力电子应用技术，是关于各种电能变换的拓扑电路、控制理论和工业应用技术，是变换装置的设计技术，是分析设计工具的开发利用技术。 1.电能变换的基本形式与电路拓扑 在电力电子应用技术中，不同的电能变换形式要求不同的拓扑电路。根据电能变换的输入输出形式，可以分为直流－直流变换器(DC/DC)、直流－交流变换器(DC/AC)、交流－直流变换器(AC/DC)和交流－交流变换器(AC-AC) 四种基本形式。 DC/DC变换器常见的有Buck 变换器(常称降压斩波器)、Boost变换器(常称升压斩波器)、Buck/Boost变换器(常称升降压斩波器)、Cuk变换器、隔离式的Buck变换器－正激变换器、推挽变换器、桥式变换器，以及隔离式的Buck/Boost变换器－反激变换器等。 DC/AC变换器常称为逆变器，按直流中间环节的特点有电压型逆变器和电流型逆变器两种类型；按输出交流电的相数又分为单相逆变器和三相逆变器。三相逆变器是三个单相逆变器进行同步控制的组合，以便输出相位上互差120o的三相电。 AC/DC变换器习惯称为整流器，广泛地用作电力电子系统的前级变换器。电力电子系统的前级变换器应与电力线路 “友好”接入，这意味着整流器应具有高功率因数、低输入电流谐波畸变和低电磁干扰发射等特点。目前，在谐波治理的严峻形势下，各种高级AC/DC变换器已得到发展，如有源功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)整流器，三相脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM) Boost PFC整流器，三相Buck PFC整流器等。 AC/AC变换器传统上用于只调电压的交流调压器和只调频率的周波变换器(也称循环变换器)，现在发展比较快的矩阵变换器也是一种AC/AC变换器。 为了减小开