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1、2024/7/19第第1页页自我介绍自我介绍苏玉刚博士苏玉刚博士/副教授副教授四川省电工技术学会理事四川省电工技术学会理事四川省电控系统与装置专委会常务委四川省电控系统与装置专委会常务委员兼秘书长员兼秘书长重庆市信息化技术中心工业自动化专重庆市信息化技术中心工业自动化专家组成员家组成员2024/7/19第第2页页自我介绍自我介绍1999年到美国罗克韦尔自动化总部年到美国罗克韦尔自动化总部和密尔沃基工程学院参加和密尔沃基工程学院参加GDP项目项目2008年到澳大利亚昆士兰大学访问年到澳大利亚昆士兰大学访问学习一年学习一年主要研究方向主要研究方向:电力电子装置及其控制技术电力电子装置及其控制技术无
2、线电能传输技术无线电能传输技术计算机测控技术及系统集成计算机测控技术及系统集成2024/7/19第第3页页自我介绍自我介绍联系方式：联系方式：Email：Tel. 02365112750重庆大学主教楼重庆大学主教楼19072024/7/19第第4页页授课内容授课内容1.电力电子技术及其在国民经济建电力电子技术及其在国民经济建 设中的地位设中的地位2. 电力电子器件及其应用电力电子器件及其应用3. AC/DC变换技术变换技术4. 缓冲电路与软开关技术缓冲电路与软开关技术5. 电力电子系统的建模与仿真技术电力电子系统的建模与仿真技术6. 无线电能传输技术无线电能传输技术2024/7/19第第5页页
3、电力电子技术电力电子技术 及其在国民经济及其在国民经济建设中的地位建设中的地位2024/7/19第第6页页主要内容：主要内容：1.1、电力电子技术的定义电力电子技术的定义 1.2、电力电子技术的主要研究内容电力电子技术的主要研究内容 1.3、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望1.4、电力电子与其它学科的关系电力电子与其它学科的关系1.5、电力电子技术的发展简介电力电子技术的发展简介2024/7/1971.1、 电力电子技术的定义电力电子技术的定义n电力电子学电力电子学(Power Electronics)这一这一名称是在名称是在60年代出现的。年代出现的。19741974年，美国
4、的年，美国的W WE ENewellNewell认为认为电力电力电子学电子学电子学电子学电力学电力学控制控制理论理论连续、离散连续、离散 电路、器件电路、器件静止器、旋转电机静止器、旋转电机电力电子技术发展史上的一篇重要讲演电力电子技术发展史上的一篇重要讲演Power Electronics-Emerging from Limbo2024/7/1981.1、电力电子技术的定义电力电子技术的定义n电电力力电电子子技技术术是是一一门门利利用用电电力力电电子子器器件件、电电路路理理论论和和控控制制技技术术对对电电能能进进行行处处理理、控控制制和和变变换换的的学学科科，是是现现代代电电子子学学的的一一
5、个个重重要要分分支支，也是电工技术的分支之一。，也是电工技术的分支之一。信息与能源信息与能源2024/7/1991.2 、主要研究内容、主要研究内容变流技术变流技术变流技术变流技术电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件控制技术控制技术控制技术控制技术电电电电力力力力电电电电子子子子技技技技术术术术应用应用应用应用技术技术技术技术2024/7/1910（一）电力电子器件是电力电子技术的基础（一）电力电子器件是电力电子技术的基础1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1911u电力电子变流技术电力电子变流技术，它包括用电力电子器件构成各，它包括用电力电子器件构成各种种电力变换电
6、路电力变换电路以及由这些电路构成以及由这些电路构成电力电子装置电力电子装置和和电力电子系统电力电子系统的技术。的技术。“变流变流”不只指不只指交直流之交直流之间的变换间的变换，也包括，也包括直流变直流直流变直流和和交流变交流交流变交流等变换。等变换。u电电力力电电子子技技术术对对电电力力的的变变换换主主要要包包括括频频率率、电电压压、电流、相数和波形等。电流、相数和波形等。u电电 力力 电电 子子 电电 路路 及及 装装 置置 通通 常常 被被 叫叫 做做 变变 换换 器器(Converter)(Converter)。（二）变流技术是电力电子技术的核心和主体（二）变流技术是电力电子技术的核心和
7、主体1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1912（二）变流技术是电力电子技术的核心和主体（二）变流技术是电力电子技术的核心和主体交流变直流交流变直流直流变交流直流变交流直流变直流直流变直流交流变交流交流变交流电力变换电力变换1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1913 （a a）AC/DCAC/DC变换器：变换器：把交流电变换为固定的或可调的把交流电变换为固定的或可调的直流电，一般叫做直流电，一般叫做整流器整流器(Rectifier)(Rectifier)1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1914 （b b）DC/ACDC/AC变换器：变换器：把直流
8、电变换为频率和电压为固把直流电变换为频率和电压为固定的或可调的交流电，一般叫做定的或可调的交流电，一般叫做逆变器逆变器(Inverter)(Inverter)1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1915 （c c）DC/DCDC/DC变换器：变换器：可改变电压幅值的大小，实现直可改变电压幅值的大小，实现直流对直流的变换，一般叫做流对直流的变换，一般叫做斩波器斩波器(Chopper)(Chopper)1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1916 （d d）AC/ACAC/AC变换器：变换器：实现从交流到交流的变换，把交实现从交流到交流的变换，把交流电变换为频率和电压为
9、固定的或可调的交流电。其流电变换为频率和电压为固定的或可调的交流电。其包括包括交流调压器（交流调压器（AC Voltage ControllerAC Voltage Controller）和周波）和周波变换器变换器(Cycloconverter)(Cycloconverter)1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1917（e e）复复合合变变换换电电路路由由这这些些变变换换器器组组合合起起来来的的电电力力电电子子变变换换器器，构构成成复复合合变变换换电电路路。实实际际应应用用的的电电力力电电子子装装置置，如如不不停停电电电电源源（UPSUPS）、开开关关电电源源和和通通用用型型变
10、变频频器器等等采采用用的的都都是是复复合变换电路。合变换电路。 1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1918（1 1）电电力力电电子子控控制制技技术术包包括括电电力力电电子子器器件件的的驱驱动动电电路路、缓缓冲冲电电路路、保保护护电电路路和和整整个个控控制制系系统统以以及及相相关关控控制制理理论论和和控控制制技技术术，如如PWMPWM控控制制技技术术，软软开开关关控控制技术等。制技术等。（2 2）电力电子控制技术是目前电力电子技术研究领）电力电子控制技术是目前电力电子技术研究领域最活跃的内容。同一电力电子电路，由于控制水域最活跃的内容。同一电力电子电路，由于控制水平的提高，可以使
11、电路达到更为完善的水平。平的提高，可以使电路达到更为完善的水平。（三）电力电子控制技术是控制理论、微电子（三）电力电子控制技术是控制理论、微电子 技术和计算机技术与电力电子相结合的产物技术和计算机技术与电力电子相结合的产物1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/1919（1 1）电力电子装置的热设计电力电子装置的热设计（2 2）电力电子装置的电力电子装置的EMCEMC设计设计（3 3）电力电子装置的可靠性设计电力电子装置的可靠性设计（4 4）开关电源设计，电机驱动装置设计，开关电源设计，电机驱动装置设计，非接触电能传输系统设计等非接触电能传输系统设计等（四）电力电子技术的应用技术（四
12、）电力电子技术的应用技术1.2 、主要研究内容、主要研究内容2024/7/19201.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望电力电力电力电力电子电子电子电子交通运输交通运输电力系统电力系统通信系统通信系统计算机系统计算机系统新能源系统新能源系统航空航天航空航天家用电器家用电器现代军事现代军事工业工业2024/7/1921 电电源源是是所所有有电电控控装装置置、自自动动化化系系统统、通通信信系系统统和和计计算算机机系系统统的的心心脏脏。如如何何提提高高电电源源的的质质量量和和可可靠靠性性，减减小小电电源源的的体体积积，减减轻轻电电源源的的重重量量，一一直直是是倍倍受受人人们们重重
13、视视的的研研究究课课题题。目目前前控控制制系系统统使使用用的的电电源源，如如UPSUPS电电源源、开开关关电电源源、变变频频电电源源、交交流流稳稳压压电电源源等等，大大多多数数都都采采用用了了电电力力电电子子技技术术。可可以以说说，电电力力电子技术主要研究的也就是电子技术主要研究的也就是电源技术电源技术。 （一）各类电源的应用领域（一）各类电源的应用领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1922 铁铁道道中中广广泛泛采采用用电电力力电电子子技技术术。电电气气机机车车的的直直流流机机车车中中采采用用整整流流装装置置，交交流流机机车车采采用用变变频频装装置置。
14、直直流流斩斩波波器器也也广广泛泛用用于于铁铁道道车车辆辆。在在未未来来的的磁磁悬悬浮浮列列车车中中，电电力力电电子子技技术术更更是是一一项项关关键键技技术术。除除牵牵引引电电动动机机传传动动外外，车车辆辆中中的的各各种种辅辅助助电电源源也也都离不开电力电子技术。都离不开电力电子技术。（二）交通运输领域（二）交通运输领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1923 电电动动汽汽车车的的电电机机靠靠电电力力电电子子装装置置进进行行电电力力变变换换和和驱驱动动控控制制，其其蓄蓄电电池池的的充充电电也也离离不不开开电电力力电电子子装装置置。一一台台高高级级汽汽车车中
15、中需需要要许许多多控控制制电电机机，它它们们也也要要靠靠变变频频器器和和斩斩波波器器驱驱动动并并控控制制。飞飞机机、船船舶舶需需要要很很多多不不同同要要求求的的电电源源，因因此此航航空空和和航航海海都都离离不不开开电电力力电电子子技技术术。如如果果把把电电梯梯也也算算做做交交通通运运输输工工具具，那那么么它它也也需需要要电电力力电电子子技技术术。以以前前的的电电梯梯大大都都采采用用直直流流调调速速系统，而近年来交流变频调速已成为主流。系统，而近年来交流变频调速已成为主流。（二）交通运输领域（二）交通运输领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1924 自动化
16、装置，最有代表性的是同步发电机的励自动化装置，最有代表性的是同步发电机的励 磁调节系统。磁调节系统。 高压直流输电装置。高压直流输电装置。 静止无功补偿装置。静止无功补偿装置。 新能源的开发和超导贮能装置。新能源的开发和超导贮能装置。 固态断路器固态断路器 切换用的电力电子断路器。切换用的电力电子断路器。 上上述述电电力力系系统统用用的的电电力力电电子子装装置置，除除高高压压直直流流输输电电外外，目目前前统统称称为为柔柔性性交交流流输输电电系系统统FACTS (Flexible AC Transmission System)技术。技术。（三）电力系统的应用领域（三）电力系统的应用领域1.3 、
17、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1925 工工业业中中大大量量应应用用各各种种电电动动机机，无无论论是是调调速速还还是软起动，都需要电力电子驱动装置。是软起动，都需要电力电子驱动装置。 电电化化学学工工业业大大量量使使用用直直流流电电源源，电电解解铝铝、电电解解食食盐盐水水等等都都需需要要大大容容量量整整流流电电源源。电电镀镀装装置置也也需需要要整整流流电电源源。现现代代电电焊焊机机离离不不开开电电力力电电子子技技术术。电电力力电电子子技技术术还还大大量量用用于于冶冶金金工工业业中中的的高高频频或或中中频频感感应应加加热热电电源源、淬淬火火电电源源及及直直流流电电
18、弧弧炉炉电电源源等等场合。场合。 （四）工业自动化应用领域（四）工业自动化应用领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1926 传传统统的的发发电电方方式式是是火火力力发发电电、水水力力发发电电以以及及后后来来兴兴起起的的核核能能发发电电。能能源源危危机机后后，各各种种新新能能源源、可可再再生生能能源源及及新新型型发发电电方方式式越越来来越越受受到到重重视视。其其中中太太阳阳能能发发电电、风风力力发发电电的的发发展展较较快快。太太阳阳能能发发电电和和风风力力发发电电受受环环境境的的制制约约，发发出出的的电电力力质质量量较较差差，常常需需要要储储能能装装置置缓
19、缓冲冲，需需要要改改善善电电能能质质量量，这这就就需需要要电电力力电电子子技技术术。当当需需要要和和电电力力系系统统联联网网时，也离不开电力电子技术。时，也离不开电力电子技术。（五）新能源开发领域（五）新能源开发领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1927 家家用用电电器器的的特特点点是是电电压压比比较较低低，功功率率一一般般都都只只有有几几十十瓦瓦到到数数百百瓦瓦，而而又又量量大大、面面广广。这这刚刚好好是是电电力力电电子子器器件件最最适适应应和和最最便便宜宜的的范范围围，因因而而促促进进了了电电力力电电子子技技术术在在这这一一应应用用领领域域的的发发
20、展展。从从调调光光台台灯灯到到电电子子镇镇流流器器的的节节能能灯灯，从从变变频频空空调调到到变变频冰箱，无一不是用到电力电子技术。频冰箱，无一不是用到电力电子技术。（六）家用电器的应用领域（六）家用电器的应用领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1928 电力电子技术被誉为节能冠军，具体体现如下：电力电子技术被誉为节能冠军，具体体现如下： 降降低低器器件件通通态态压压降降和和采采用用软软开开关关技技术术，提提高高电力电子装置效率而节能。电力电子装置效率而节能。 调调速速节节能能。根根据据19831983年年国国家家经经委委组组织织的的专专家家调调查查组组的
21、的结结论论可可知知，节节约约电电能能约约达达3030左左右右。目目前前我我国国风风机机约约700700万万台台，泵泵约约30003000万万台台，大大多多数数设设备备负负荷荷率率均均低低于于60%60%，如如都都采采用用调调速速电电机机，每每年年可可节节电约电约145145亿亿kWhkWh，节煤约，节煤约570570万吨。万吨。（七）节约能源的应用领域（七）节约能源的应用领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1929 照照明明节节能能。目目前前发发达达国国家家照照明明耗耗电电约约占占总总发发电电量量的的202030%30%，我我国国约约占占101012%1
22、2%。若若推推广广使使用用采采用用了了电电力力电电子子技技术术的的节节能能灯灯，每每年年照照明明能能耗耗可可减减少少20%20%以以上上，节能效果非常可观。节能效果非常可观。（七）节约能源的应用领域（七）节约能源的应用领域1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1930 总之，从人类对宇宙和大自然的探索，总之，从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技
23、术人员学习、研究电力电子学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子技术作为技术并使其飞速发展。电力电子技术作为多学科交叉的边缘学科，具有很强的生命多学科交叉的边缘学科，具有很强的生命力。力。科学家预言科学家预言2121世纪的主导工业第一是世纪的主导工业第一是信息产业，第二是计算机与电力电子。信息产业，第二是计算机与电力电子。1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/1931 科学家预言，科学家预言，电力电子技术电力电子技术和和运动控制运动控制一一起，将和起，将和计算机技术计算机技术共同成为未来科学技共同成为未来科学技术的术的两大支柱。两大支柱
24、。已列入已列入“十一五十一五”国家科技支撑计划重点项目国家科技支撑计划重点项目“电力电子关键器件及重大装备研制电力电子关键器件及重大装备研制”1.3 、电力电子技术的应用与展望电力电子技术的应用与展望2024/7/19321.4、电力电子与其它学科的关系、电力电子与其它学科的关系都分为电子器件和电子电路都分为电子器件和电子电路两大分支两大分支，二者同根同源；，二者同根同源；两类器件制造技术的两类器件制造技术的理论基础相同理论基础相同；制造工艺也基本相同制造工艺也基本相同。特别是现代电力电子器件的制造大都。特别是现代电力电子器件的制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术使用集成电路制造工
25、艺，采用微电子制造技术; ;应用目的不同应用目的不同前者用于电力变换，后者用于信息处理。前者用于电力变换，后者用于信息处理。在微电子技术中，器件既可以处于在微电子技术中，器件既可以处于放大状态放大状态，也可以处于，也可以处于开开关状态关状态；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在子器件总是工作在开关状态开关状态。（一）与微电子学的关系（一）与微电子学的关系2024/7/1933电力电子技术广泛用于电气工程中电力电子技术广泛用于电气工程中 高高压压直直流流输输电电、静静止止无无功功补补偿偿、电电力力机机车车牵牵引引、交交直直流流
26、电电力力传传动动、电电解解、电电镀镀、电电加加热热、高高性性能能交交直流电源。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。国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电电力力电电子子技技术术是是电电气气工工程程学学科科中中最最为为活活跃跃的的一一个个分分支支。电电力力电电子子技技术术的的不不断断进进步步给给电电气气工工程程的的现现代代化化以以巨巨大大的推动力。的推动力。1.4、电力电子与其它学科的关系、电力电子与其它学科的关系（二）与电力学（二）与电力学(电气工程电气工程)的关系的关系2024/7/19341.4、电力电子与其它学科的关系、电力电子与其它学科的关系（三）与控制理论
27、的关系（三）与控制理论的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中。控制理论广泛用于电力电子系统中。 电电力力电电子子技技术术是是弱弱电电控控制制强强电电的的技技术术，是是弱弱电电和和强强电的接口电的接口, ,控制理论是这种接口的有力控制理论是这种接口的有力纽带纽带。电电力力电电子子装装置置是是自自动动化化技技术术的的基基础础元元件件和和重重要要支支撑撑技术技术。2024/7/19351.4、电力电子与其它学科的关系、电力电子与其它学科的关系 随着科学技术的发展，电力电子技术又与电随着科学技术的发展，电力电子技术又与电磁学、固态物理学、材料科学、电机工程、现代磁学、固态物理学、材料科学、电机工程、现
28、代控制理论、仿真与计算、信号处理和计算机科学控制理论、仿真与计算、信号处理和计算机科学等许多学科密切相关。目前电力电子技术已逐步等许多学科密切相关。目前电力电子技术已逐步发展成为一门多学科相互渗透的发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科综合性技术学科。（四）和其它学科的关系（四）和其它学科的关系2024/7/19361.5、电力电子技术的发展简介、电力电子技术的发展简介电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率及功率集成器件出现集成器件出现和发展时代和发展时代晶闸管时代晶闸管时代水银（汞
29、水银（汞弧）整流弧）整流器时代器时代电子管电子管问世问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生2024/7/19371.5、电力电子技术的发展简介、电力电子技术的发展简介 电力电子器件以半电力电子器件以半控型的晶闸管为主，控型的晶闸管为主，变流电路以相控电变流电路以相控电路为主，控制电路路为主，控制电路以模拟电路为主。以模拟电路为主。 (一一) 传统电力电子技术传统电力电子技术2024/7/19381.5、电力电子技术的发展简介、电力电子技术的发展简介n现现代代电电力力电电子子技技术术在在器器件件、电电路路及及其其控控制制技技术术方方面面与与传传统电力电子技术相比主要有如下特点：统电力电子技术相比主要有如下特点：A、集成化、集成化B、高频化、高频化C、全控化、全控化 D、控制电路弱电化、控制电路弱电化控制技术数字化控制技术数字化 (二二) 现代电力电子技术现代电力电子技术
