電力電子技術

電力電子技術PowerElectronics1（1）課程的性質和目的課程性質：《電力電子技術》是電氣工程及其自動化專業(yè)必修的專業(yè)基礎課。是一門理論與應用相結合、實踐性很強的課程。課程目的：通過該課程的學習，使學生了解各種電力電子器件的特性和使用方法；掌握典型電力電子電路的結構、工作原理、控制方法、設計計算方法及實驗技能，為后繼課程的學習和將來參加社會生產(chǎn)實踐打下基礎。一、課程介紹2（2）課程的基本要求①了解電力電子技術的發(fā)展概況、技術動向和新的應用領域。②了解與熟悉常用電力電子器件的工作原理、電氣特性和主要參數(shù)。③了解和掌握基本電力電子電路（整流電路、直流斬波電路、交流—交流電力變換電路、逆變電路）的結構、工作原理、波形分析和控制方法。④了解PWM技術的工作原理和控制特性，了解軟開關技術的基本原理。⑤具有一定的電力電子電路實驗和調試能力。3課時分配：總54學時，現(xiàn)開56學時：課內教學學時為46學時，實驗10學時。和其他課程的關系：電路電子技術基礎電力電子技術電力拖動自動控制4二、學習要求本課程需要利用先修課程中高等數(shù)學、電路分析、模擬電子技術等知識進行分析，要求學生及時復習掌握。本課程注重理論聯(lián)系實際，因此要求學生除了完成課堂學習的內容外，應充分利用網(wǎng)絡資源和實驗室資源，利用實驗室及計算機仿真平臺鍛煉自己的綜合實踐能力。5★學習紀律和考核標準每位學生不得缺勤超過本課程總學時的1/3（18學時）；每位學生必須參加本課程的實驗環(huán)節(jié)，否則不能參加考試；每位學生點名超過3次未到取消考試資格；每位學生必須獨立完成作業(yè)和測驗，抄襲作業(yè)及無故不交作業(yè)3次以上取消考試資格；測驗或考試作弊（包括雷同）取消成績并上報學校處理?？己似綍r成績（50%）+考試成績（50%）平時成績包括（課堂測驗20%；作業(yè)、考勤15%；實驗15%；）6三、課程安排第一階段：第3－4周：§1.緒論、

§2.電力電子器件第5周：

§9.電力電子器件的驅動；

實驗一第6周－第10周：§3.整流電路；

實驗二、三

（兩次習題討論課；第9周課堂測驗1）7第二階段：第15周：§4.逆變電路第16周：§5.直流變換電路第17-18周：§6.交流變換電路

實驗四

§7.PWM控制技術第19-20周：§8.軟開關技術

§10.電力電子技術的應用

（19周課堂測驗2；20周復習串講及實驗測驗）8實驗電力電子及運動控制實驗室（東樓104）DJDK-1型電力電子技術及電機控制實驗裝置內容實驗一：單結晶體管觸發(fā)電路實驗實驗二：單相半波可控整流電路實驗實驗三：三相半波可控整流電路實驗實驗四：單相交流調壓電路實驗實驗測驗MATLAB仿真實驗9四、學習資源1.網(wǎng)絡資源

/2.參考書籍王云亮.電力電子技術.電子工業(yè)出版社.2004孫樹樸.電力電子技術.中國礦業(yè)大學出版社.1999趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術基礎.清華大學出版社.1995M.H.Rashid,“PowerElectronics:Circuit,DevicesandApplications”,3rdEdition,Prentice-Hall,ISBN-10:0131011405,2004.NedMohan,ToreM.Undeland,WilliamP.Robbins,‘PowerElectronics–Converters,Applications,andDesign’,JohnWiley&Sons,2002.101什么是電力電子技術2電力電子技術的發(fā)展史3電力電子技術的應用4教材內容簡介和使用說明第一章緒論11Whatispowerelectronics?ThehistoryApplicationsAboutthiscourse12Whatispowerelectronics?DefinitionRelationwithinformationelectronicsTheinterdisciplinarynaturePositionandsignificanceinthehumansociety131.1

電力電子與信息電子1.2

兩大分支1.3

與其他學科的關系1.4

地位和未來1

什么是電力電子技術14電力技術是一門涉及發(fā)電、輸電、配電及電力應用的科學技術。利用電磁學(電路、磁路、電場、磁場的基本原理)，處理發(fā)電、輸配電及電力應用的技術統(tǒng)稱電力技術。1.電力技術15電子技術又稱為電子學，它是與電子器件、電子電路以及電子設備和系統(tǒng)有關的科學技術。電子技術是研究電子器件，以及利用電子器件來處理電子電路中電信號的產(chǎn)生、變換、處理、存儲、發(fā)送和接收問題。又稱為信息電子技術或信息電子學。2.電子技術161.1什么是電力電子技術■電力電子技術的概念◆可以認為，所謂電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術。

?電力電子技術中所變換的“電力”有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”，后者特指電力網(wǎng)的“電力”，前者則更一般些。

?電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數(shù)字電子技術都屬于信息電子技術。17信息電子技術——信息處理電力電子技術——電力變換電子技術一般即指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。模擬電子技術電子技術信息電子技術電力電子技術數(shù)字電子技術電力電子技術——使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，即應用于電力領域的電子技術。目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。1.1

電力電子與信息電子18IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）給出的定義：有效的使用電力半導體器件、應用電路和設計理論以及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術。19也稱為電力電子學。利用電力電子開關器件組成電力開關電路，利用集成電路和微處理器構成信號處理和控制系統(tǒng)，對電力開關電路進行實時、適式的控制，經(jīng)濟有效地實現(xiàn)開關模式的電力變換和電力控制，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。是綜合了電子技術、控制技術和電力技術的新興交叉學科。3.電力電子技術(PowerElectronics)20

變流技術（電力電子器件應用技術）用電力電子器件構成電力變換電路和對其進行控制的技術，以及構成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術。電力電子技術的核心，理論基礎是電路理論。1.2

兩大分支電力電子器件制造技術電力電子技術的基礎，理論基礎是半導體物理。21電力——交流和直流兩種（公用電網(wǎng)；蓄電池、干電池）電力變換四大類

交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流進行電力變換的技術稱為變流技術。逆變直流斬波直流交流電力控制變頻、變相整流交流交流直流輸出輸入變流技術

22電源可分為兩類：直流電（D.C），頻率f=0?交流電（A.C），頻率f0電力變換按電壓(電流)的大小、波形及頻率變換劃分為四類基本變換及相應的四種電力變換電路或電力變換器。這四類基本變換可以組合成許多復合型電力變換器23傳統(tǒng)電力技術如何將交流電變?yōu)橹绷麟姡?4

傳統(tǒng)電力技術如何將一種頻率的交流電變?yōu)榱硪环N頻率的交流電？25電力電子學(PowerElectronics)名稱60年代出現(xiàn)。1974年，美國的W.Newell用倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受。電力電子學電子學電力學控制理論連續(xù)、離散電路、器件靜止器、旋轉電機

描述電力電子學的倒三角形1.3與相關學科的關系26都分為器件和應用兩大分支。器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術。應用的理論基礎、分析方法、分析軟件也基本相同。信息電子電路的器件可工作在開關狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件一般只工作在開關狀態(tài)。二者同根同源。與電子學（信息電子學）的關系1.3與相關學科的關系271.3與相關學科的關系電力電子技術廣泛用于電氣工程中高壓直流輸電靜止無功補償電力機車牽引交直流電力傳動電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源國內外均把電力電子技術歸為電氣工程的一個分支。電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。與電力學（電氣工程）的關系28

電氣工程的雙三角形描述在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學科。圖中用兩個三角形對電氣工程進行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學科和其他學科的關系，小三角形則描述了電氣工程一級學科內各二級學科的關系。

29控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。電力電子技術是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶。電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。與控制理論（自動化技術）的關系1.3與相關學科的關系30電力電子技術和運動控制一起，和計算機技術共同成為未來科學技術的兩大支柱。計算機人腦

電力電子技術消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運動控制肌肉和四肢電力電子技術是電能變換技術,是把粗電變?yōu)榫姷募夹g，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質的能源。一門嶄新的技術，21世紀仍將以迅猛的速度發(fā)展。1.4

地位和未來31晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生2電力電子技術的發(fā)展史322電力電子技術的發(fā)展史◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術的史前期或黎明期。

?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術用于電力領域的先河。

?20世紀30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應用。在這一時期，也應用直流發(fā)電機組來變流。

?1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術的一場革命。

332電力電子技術的發(fā)展史◆晶閘管時代

?晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組，并且其應用范圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發(fā)展而確立的。?晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。342電力電子技術的發(fā)展史◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）?70年代后期，以門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關斷。?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。

?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復合了MOSFET和GTO。352電力電子技術的發(fā)展史?把驅動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術包括以PIC為代表的單片集成技術、混合集成技術以及系統(tǒng)集成技術。?隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關技術的應用在理論上可以使電力電子器件的開關損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

363電力電子技術的應用■電力電子技術的應用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調速的。?一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。

373電力電子技術的應用AB變頻器?有些并不特別要求調速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。?電化學工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。?電力電子技術還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。38軋鋼機數(shù)控機床冶金工業(yè)電解鋁1）一般工業(yè)3

電力電子技術的應用393電力電子技術的應用◆交通運輸?電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。

?電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。

?飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。402）交通運輸3

電力電子技術的應用414243443電力電子技術的應用◆電力系統(tǒng)?據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。

?直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質量控制，改善供電質量。

?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。

452008年12月15日正式動工。路徑長度約1335公里，途經(jīng)寧夏、陜西、山西、河北、山東等5省區(qū)43個縣(市)。其中山東段線路長415公里，穿越7市17縣(市），總投資約104億元。工程輸電容量400萬千瓦，相當于新建7座60萬千瓦發(fā)電機組。耐受電壓、晶閘管數(shù)量、換流變壓器單臺容量、運輸重量等六個方面創(chuàng)造直流輸電工程領域的世界紀錄。2010年11月11日，極Ⅰ系統(tǒng)投入試運行，隨即以大地回線方式滿負荷送山東200萬千瓦。2011年2月28日，雙極建成投運。463電力電子技術的應用圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）473）電力系統(tǒng)SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS3

電力電子技術的應用48未來電力系統(tǒng)49503電力電子技術的應用◆電子裝置用電源

?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電