电力电子技术

电力电子技术PowerElectronics1（1）课程的性质和目的课程性质：《电力电子技术》是电气工程及其自动化专业必修的专业基础课。是一门理论与应用相结合、实践性很强的课程。课程目的：通过该课程的学习，使学生了解各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握典型电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能，为后继课程的学习和将来参加社会生产实践打下基础。一、课程介绍2（2）课程的基本要求①了解电力电子技术的发展概况、技术动向和新的应用领域。②了解与熟悉常用电力电子器件的工作原理、电气特性和主要参数。③了解和掌握基本电力电子电路（整流电路、直流斩波电路、交流—交流电力变换电路、逆变电路）的结构、工作原理、波形分析和控制方法。④了解PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理。⑤具有一定的电力电子电路实验和调试能力。3课时分配：总54学时，现开56学时：课内教学学时为46学时，实验10学时。和其他课程的关系：电路电子技术基础电力电子技术电力拖动自动控制4二、学习要求本课程需要利用先修课程中高等数学、电路分析、模拟电子技术等知识进行分析，要求学生及时复习掌握。本课程注重理论联系实际，因此要求学生除了完成课堂学习的内容外，应充分利用网络资源和实验室资源，利用实验室及计算机仿真平台锻炼自己的综合实践能力。5★学习纪律和考核标准每位学生不得缺勤超过本课程总学时的1/3（18学时）；每位学生必须参加本课程的实验环节，否则不能参加考试；每位学生点名超过3次未到取消考试资格；每位学生必须独立完成作业和测验，抄袭作业及无故不交作业3次以上取消考试资格；测验或考试作弊（包括雷同）取消成绩并上报学校处理。考核平时成绩（50%）+考试成绩（50%）平时成绩包括（课堂测验20%；作业、考勤15%；实验15%；）6三、课程安排第一阶段：第3－4周：§1.绪论、

§2.电力电子器件第5周：

§9.电力电子器件的驱动；

实验一第6周－第10周：§3.整流电路；

实验二、三

（两次习题讨论课；第9周课堂测验1）7第二阶段：第15周：§4.逆变电路第16周：§5.直流变换电路第17-18周：§6.交流变换电路

实验四

§7.PWM控制技术第19-20周：§8.软开关技术

§10.电力电子技术的应用

（19周课堂测验2；20周复习串讲及实验测验）8实验电力电子及运动控制实验室（东楼104）DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置内容实验一：单结晶体管触发电路实验实验二：单相半波可控整流电路实验实验三：三相半波可控整流电路实验实验四：单相交流调压电路实验实验测验MATLAB仿真实验9四、学习资源1.网络资源

/2.参考书籍王云亮.电力电子技术.电子工业出版社.2004孙树朴.电力电子技术.中国矿业大学出版社.1999赵良炳.现代电力电子技术基础.清华大学出版社.1995M.H.Rashid,“PowerElectronics:Circuit,DevicesandApplications”,3rdEdition,Prentice-Hall,ISBN-10:0131011405,2004.NedMohan,ToreM.Undeland,WilliamP.Robbins,‘PowerElectronics–Converters,Applications,andDesign’,JohnWiley&Sons,2002.101什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用4教材内容简介和使用说明第一章绪论11Whatispowerelectronics?ThehistoryApplicationsAboutthiscourse12Whatispowerelectronics?DefinitionRelationwithinformationelectronicsTheinterdisciplinarynaturePositionandsignificanceinthehumansociety131.1

电力电子与信息电子1.2

两大分支1.3

与其他学科的关系1.4

地位和未来1

什么是电力电子技术14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15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161.1什么是电力电子技术■电力电子技术的概念◆可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

☞电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”，前者则更一般些。

☞电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。17信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.1

电力电子与信息电子18IEEE（美国电气和电子工程师协会）给出的定义：有效的使用电力半导体器件、应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。19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。3.电力电子技术(PowerElectronics)20

变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。1.2

两大分支电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。21电力——交流和直流两种（公用电网；蓄电池、干电池）电力变换四大类

交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流进行电力变换的技术称为变流技术。逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流输出输入变流技术

22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23传统电力技术如何将交流电变为直流电？24

传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率的交流电？25电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现。1974年，美国的W.Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散电路、器件静止器、旋转电机

描述电力电子学的倒三角形1.3与相关学科的关系26都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。二者同根同源。与电子学（信息电子学）的关系1.3与相关学科的关系271.3与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与电力学（电气工程）的关系28

电气工程的双三角形描述在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图中用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。

29控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。与控制理论（自动化技术）的关系1.3与相关学科的关系30电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机人脑

电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源。一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。1.4

地位和未来31晶闸管问世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生2电力电子技术的发展史322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。

☞1904年出现了电子管，它能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。

☞20世纪30年代到50年代，水银整流器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。

332电力电子技术的发展史◆晶闸管时代

☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之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。342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。352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。

363电力电子技术的应用■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。

◆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。

373电力电子技术的应用AB变频器☞有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。☞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。38轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业3

电力电子技术的应用393电力电子技术的应用◆交通运输☞电气化铁道中广泛采用电力电子技术。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。

☞电动汽车的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。402）交通运输3

电力电子技术的应用414243443电力电子技术的应用◆电力系统☞据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，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。

☞直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，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。☞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，以进行电能质量控制，改善供电质量。

☞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。

452008年12月15日正式动工。路径长度约1335公里，途经宁夏、陕西、山西、河北、山东等5省区43个县(市)。其中山东段线路长415公里，穿越7市17县(市），总投资约104亿元。工程输电容量400万千瓦，相当于新建7座60万千瓦发电机组。耐受电压、晶闸管数量、换流变压器单台容量、运输重量等六个方面创造直流输电工程领域的世界纪录。2010年11月11日，极Ⅰ系统投入试运行，随即以大地回线方式满负荷送山东200万千瓦。2011年2月28日，双极建成投运。463电力电子技术的应用图1-5中国南方电网公司安顺换流站图1-6静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）473）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS3

电力电子技术的应用48未来电力系统49503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