電力電子技術(shù)

電力電子技術(shù)PowerElectronics1（1）課程的性質(zhì)和目的課程性質(zhì)：《電力電子技術(shù)》是電氣工程及其自動化專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。是一門理論與應(yīng)用相結(jié)合、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。課程目的：通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)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(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及實(shí)驗(yàn)技能，為后繼課程的學(xué)習(xí)和將來參加社會生產(chǎn)實(shí)踐打下基礎(chǔ)。一、課程介紹2（2）課程的基本要求①了解電力電子技術(shù)的發(fā)展概況、技術(shù)動向和新的應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和控制方法。④了解PWM技術(shù)的工作原理和控制特性，了解軟開關(guān)技術(shù)的基本原理。⑤具有一定的電力電子電路實(shí)驗(yàn)和調(diào)試能力。3課時(shí)分配：總54學(xué)時(shí)，現(xiàn)開56學(xué)時(shí)：課內(nèi)教學(xué)學(xué)時(shí)為46學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)。和其他課程的關(guān)系：電路電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)電力拖動自動控制4二、學(xué)習(xí)要求本課程需要利用先修課程中高等數(shù)學(xué)、電路分析、模擬電子技術(shù)等知識進(jìn)行分析，要求學(xué)生及時(shí)復(fù)習(xí)掌握。本課程注重理論聯(lián)系實(shí)際，因此要求學(xué)生除了完成課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容外，應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)驗(yàn)室資源，利用實(shí)驗(yàn)室及計(jì)算機(jī)仿真平臺鍛煉自己的綜合實(shí)踐能力。5★學(xué)習(xí)紀(jì)律和考核標(biāo)準(zhǔn)每位學(xué)生不得缺勤超過本課程總學(xué)時(shí)的1/3（18學(xué)時(shí)）；每位學(xué)生必須參加本課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，否則不能參加考試；每位學(xué)生點(diǎn)名超過3次未到取消考試資格；每位學(xué)生必須獨(dú)立完成作業(yè)和測驗(yàn)，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(yàn)或考試作弊（包括雷同）取消成績并上報(bào)學(xué)校處理?？己似綍r(shí)成績（50%）+考試成績（50%）平時(shí)成績包括（課堂測驗(yàn)20%；作業(yè)、考勤15%；實(shí)驗(yàn)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(qū)動；

實(shí)驗(yàn)一第6周－第10周：§3.整流電路；

實(shí)驗(yàn)二、三

（兩次習(xí)題討論課；第9周課堂測驗(yàn)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(shí)驗(yàn)四

§7.PWM控制技術(shù)第19-20周：§8.軟開關(guān)技術(shù)

§10.電力電子技術(shù)的應(yīng)用

（19周課堂測驗(yàn)2；20周復(fù)習(xí)串講及實(shí)驗(yàn)測驗(yàn)）8實(shí)驗(yàn)電力電子及運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)室（東樓104）DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一：單結(jié)晶體管觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二：單相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三：三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四：單相交流調(diào)壓電路實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)測驗(yàn)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)9四、學(xué)習(xí)資源1.網(wǎng)絡(luò)資源

/2.參考書籍王云亮.電力電子技術(shù).電子工業(yè)出版社.2004孫樹樸.電力電子技術(shù).中國礦業(yè)大學(xué)出版社.1999趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)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(shù)2電力電子技術(shù)的發(fā)展史3電力電子技術(shù)的應(yīng)用4教材內(nèi)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(xué)科的關(guān)系1.4

地位和未來1

什么是電力電子技術(shù)14電力技術(shù)是一門涉及發(fā)電、輸電、配電及電力應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。利用電磁學(xué)(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(yīng)用的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。1.電力技術(shù)15電子技術(shù)又稱為電子學(xué)，它是與電子器件、電子電路以及電子設(shè)備和系統(tǒng)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)。電子技術(shù)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(shù)或信息電子學(xué)。2.電子技術(shù)161.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子技術(shù)的概念◆可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。

?電力電子技術(shù)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(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。17信息電子技術(shù)——信息處理電力電子技術(shù)——電力變換電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W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(dǎo)體器件、應(yīng)用電路和設(shè)計(jì)理論以及分析開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術(shù)。19也稱為電力電子學(xué)。利用電力電子開關(guān)器件組成電力開關(guān)電路，利用集成電路和微處理器構(gòu)成信號處理和控制系統(tǒng)，對電力開關(guān)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制，經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)開關(guān)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(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科。3.電力電子技術(shù)(PowerElectronics)20

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

兩大分支電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)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(jìn)行電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。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(shù)

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(yīng)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(fù)合型電力變換器23傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟姡?4

傳統(tǒng)電力技術(shù)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(xué)(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(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。電力電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)控制理論連續(xù)、離散電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)

描述電力電子學(xué)的倒三角形1.3與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系26都分為器件和應(yīng)用兩大分支。器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)。應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、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(guān)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(guān)狀態(tài)。二者同根同源。與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系1.3與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系271.3與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中高壓直流輸電靜止無功補(bǔ)償電力機(jī)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(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個(gè)分支。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支。與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)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(gè)二級學(xué)科。圖中用兩個(gè)三角形對電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級學(xué)科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。

29控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)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(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。與控制理論（自動化技術(shù)）的關(guān)系1.3與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系30電力電子技術(shù)和運(yùn)動控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。計(jì)算機(jī)人腦

電力電子技術(shù)消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運(yùn)動控制肌肉和四肢電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù),是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù)，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源。一門嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)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(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生2電力電子技術(shù)的發(fā)展史322電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)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(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。

?20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。這一時(shí)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(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。

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

332電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管時(shí)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(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)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(dǎo)通而不能使其關(guān)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(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。342電力電子技術(shù)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(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)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(diǎn)是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)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(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。352電力電子技術(shù)的發(fā)展史?把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)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(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)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(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。

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

373電力電子技術(shù)的應(yīng)用AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動時(shí)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(xué)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(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。38軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)電解鋁1）一般工業(yè)3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用393電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸?電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)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(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。

?電動汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)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(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。

?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。402）交通運(yùn)輸3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用414243443電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電力系統(tǒng)?據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)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(shí)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(shí)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(bǔ)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(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)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(gè)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(dāng)于新建7座60萬千瓦發(fā)電機(jī)組。耐受電壓、晶閘管數(shù)量、換流變壓器單臺容量、運(yùn)輸重量等六個(gè)方面創(chuàng)造直流輸電工程領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。2010年11月11日，極Ⅰ系統(tǒng)投入試運(yùn)行，隨即以大地回線方式滿負(fù)荷送山東200萬千瓦。2011年2月28日，雙極建成投運(yùn)。463電力電子技術(shù)的應(yīng)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(shù)的應(yīng)用48未來電力系統(tǒng)49503電力電子技術(shù)的應(yīng)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(shè)備中的程控交換機(jī)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(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電