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电力电子技术概述

1.1.1 电力电子技术研究的内容

电力电子技术诞生于20世纪五六十年代，在随后不到100年时间内，电力电子技术的发展十分迅速。2000年，IEEE终身会员、美国电力电子学会前主席Tomas G.Wilson给出了电力电子技术一个定义：电力电子技术是通过静止的手段，对电能进行有效的变换、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。

通过上述定义可知，电力电子技术的核心是对电能进行变换和控制，它能根据用电场合的不同而改变电能的应用方式，即所谓的变流。变流技术可以使电能的应用更好地满足不同负载所期望的最佳能量供应形式和最佳控制，通过功能和性能的提高获得良好的节能效果，产生经济效益和社会效益。因此，电力电子技术被称为电能应用的优化技术。

电能可以分为直流电和交流电两种形式。从公用电网直接得到的是交流电；从蓄电池和干电池得到的是直流电。用户往往需要多种形式的电能。

1.1.2 电力电子变换的类型

电力电子电路的根本任务是实现电能的变换和控制。电能变换的基本形式有4种：直流-直流变换、直流-交流变换、交流-直流变换、交流-交流变换。在某些变流装置中，可能同时包含两种以上的变换。

（1）直流-直流变换（DC-DC）

将一种直流电变换为另一固定或可调电压的直流电的电路称为直流-直流变换电路，直接实现变换的电路通常称为斩波电路。直流变换技术广泛地应用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速辅助电动设备的控制等，从而获得加速平稳、快速响应的性能。特别是20世纪80年代以来兴起的采用直流变换技术的高频开关电源的发展最为迅猛，它以体积小、质量轻、效率高等优点在民用工业、军事和日常生活中得到广泛的应用，为计算机、通信、消费电子等类产品提供可靠的直流电源。

（2）直流-交流变换（DC-AC）

将直流电变换为交流电的电路称为逆变电路，完成逆变任务的电力电子装置称为逆变器。逆变电路不但能使直流电变成可调的交流电，而且可输出连续可调的工作频率。如果将逆变器的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电送到电网去，称为有源逆变，它主要用于直流电机的可逆调速、绕线转子异步电动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。如果将逆变器的交流侧直接接到负载上，把直流电逆变成某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆变，它主要用于交流电机变频调速、感应加热、不间断电源等方面。

（3）交流-直流变换（AC-DC）

将交流电变换为固定或可调的直流电的电路称为整流电路，完成整流任务的电力电子装置称为整流器。整流电路广泛应用于电解、电镀、直流电动机调速、蓄电池充电、手机充电、计算机电源适配器等方面。近年来，随着电力电子器件和PWM技术的发展，整流电路得到了进一步的发展与推广，应用更加广泛。

（4）交流-交流变换（AC-AC）

把交流电的参数（幅值、频率等）加以转换的电路称为交流-交流变换电路。交流-交流变换电路广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电动机的软启动和调速、大功率交流电动机的变频调速等方面。

1.1.3 电力电子技术和其他学科的关系

电力电子技术是应用于电力领域中的电子技术，是一种电力变换技术，它所变换的功率可达到数百兆瓦甚至吉瓦，也可小到数瓦甚至是毫瓦。电力电子技术是横跨电子技术、电力技术和控制技术的新型交叉学科，并随着科学技术的发展又与电磁学、固态物理学、电机工程、现代控制理论、仿真与计算、计算机科学等许多学科密切相关，已发展成为一门多学科相互渗透的综合技术学科。

电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的。“电力电子学”和“电力电子技术”相比，其实际的内容并没有太大的区别，只是分别从学术和工程技术两个不同角度来称呼。1974年，美国学者W.Newell用如图1.1所示的倒三角形对电力电子学进行了描述，他的观点被学术界普遍接受。

①电力电子技术和电子技术有相同之处，也有不同之处。电子技术是与电子器件、电子电路以及由各种电子电路所组成的电子设备和系统有关的科学技术，它主要研究电子器件，以及利用电子器件来处理电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收等问题。

20世纪五六十年代以后，随着电子器件处理的功率不同、应用领域不同，电子技术分为信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括通常所说的模拟电子技术和数字电子技术，如图1.2所示。电力电子技术中的电力电子器件和电力电子电路分别与信息电子技术中的电子器件和电子电路相对应。

电力电子技术和信息电子技术的相同点如下：

a．从器件的制造技术上讲，两者同根同源，都是采用半导体材料制成，而且两者大多数的制造工艺也是一致的。

b．两者电路的分析方法也基本一致。

电力电子技术和信息电子技术的不同点如下：

a．电力电子技术变换的是“电力”，所处理的电能功率一般是“大功率”，但也可以处理“小功率”；信息电子技术变换的是“信息”，一般处理的是“小功率”。

b．在信息电子技术中的电子器件既可以处于放大状态，也可以处于开关状态；而在电力电子技术中，为了避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态。这是电力电子技术的一个重要特征，也是它们的本质区别。

②电力电子技术广泛应用于电气工程中，“电力技术”这一名称在我国称为“电气工程”，它是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。由于各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、电解、励磁、电力机车牵引、交直流电力传动、高性能的交直流电源等电力系统和电气工程中，因此，通常把电力电子技术归属于电气工程学科。随着电力电子技术的不断进步，将大大推动电气工程的发展。

③控制理论广泛应用于电力电子技术中，如图1.3所示。控制技术使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善，以满足人们的各种需求。电力电子技术实质上是将现代电子技术和控制技术引入传统电力技术领域，实现电力的变换和控制，可以看作是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口；控制理论则是实现这种接口强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术是密不可分的；电力装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。