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1、第一章第一章 绪论绪论wangli1 1、什么是电力电子技术、什么是电力电子技术2 2、电力电子技术的发展史、电力电子技术的发展史3 3、电力电子技术的应用领域、电力电子技术的应用领域4 4、课程性质与学习方法、课程性质与学习方法信息电子技术信息电子技术信息电子技术信息电子技术信息处理信息处理信息处理信息处理电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力变换电力变换电力变换电力变换电子技术一般即指信息电子技术一般即指信息电子技术一般即指信息电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包电子技术，广义而言，也包电子技术，广义而言，也包电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。括电力电子技术。括
2、电力电子技术。括电力电子技术。模拟电子技术模拟电子技术电子技术电子技术信息电子技术信息电子技术电力电子技术电力电子技术数字电子技术数字电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术使用电力电子使用电力电子使用电力电子使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技器件对电能进行变换和控制的技器件对电能进行变换和控制的技器件对电能进行变换和控制的技术，即术，即术，即术，即 应用于电力领域的电子技术。应用于电力领域的电子技术。应用于电力领域的电子技术。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目前电力电子器件均用半导体制目前电力电子器件均用半导体制目前电力电子器件均用半导体制成，故也
3、称电力半导体器件。成，故也称电力半导体器件。成，故也称电力半导体器件。成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的电力电子技术变换的电力电子技术变换的电力电子技术变换的“ “电力电力电力电力” ”，可大到数百可大到数百可大到数百可大到数百MWMW甚至甚至甚至甚至GWGW，也可，也可，也可，也可小到数小到数小到数小到数WW甚至甚至甚至甚至mWmW级。级。级。级。3 3 变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）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用电力电子器件构成电力变换电路和对其用电力电子器件构成电力变换电
4、路和对其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进行控制的技术，以及构成电力电子装置进行控制的技术，以及构成电力电子装置进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。和电力电子系统的技术。和电力电子系统的技术。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。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。 电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造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的的的的基基基基础础础础，理
5、理理理论论论论基基基基础础础础是是是是半半半半导导导导体体体体物理。物理。物理。物理。4 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。 电力变换四大类电力变换四大类电力变换四大类电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流流表表1 电力变换的种类电力变换的种类 进行电力变换的技术称为进行电力变换的技术称为进行电力变换的技术称为进行电力变换的技术称为 变流技术。变流技术。变流技术。变流技术。逆变逆变直流斩波直流斩波直流直流交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相整流整流交流交流交流交流直流直流 输
6、出输出 输入输入 变流技术变流技术变流技术变流技术5电力电子学电力电子学电力电子学电力电子学 (Power (Power Electronics)Electronics)名称名称6060年代出年代出现。现。19741974年，美国的年，美国的W. W. NewellNewell用图用图1 1的倒三角形的倒三角形对电力电子学进行了描述，对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。被全世界普遍接受。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、旋转电机图图1 描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形6 6都分为都
7、分为都分为都分为器件器件器件器件和和和和应用应用应用应用两大分支。两大分支。两大分支。两大分支。器件器件器件器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用应用应用应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相的理论基础、分析方法、分析软件也基本相的理论基础、分析方法、分析软件也基本相的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。同。同。同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工信息电子电路的器件可工作在
8、开关状态，也可工作在放大状态；作在放大状态；作在放大状态；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。电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。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。二者同根同源。二者同根同源。二者同根同源。 与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系7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压直流输电静止无功补偿高压直流输电静止无功补偿高压直流输电静止无功补偿高压
9、直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电力机车牵引交直流电力传动电力机车牵引交直流电力传动电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源电解、电镀、电加热、高性能交直流电源电解、电镀、电加热、高性能交直流电源电解、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国内外均把电力电子技术归为电气工程的一国内外均把电力电子技术归为电气工程的一国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。个分支。个分支。个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的电力电子技术是电气工程学科中最为活
10、跃的一个分支。一个分支。一个分支。一个分支。 与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系8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。电力电子技术是弱电控制强电的技术，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；是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。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电力电子装置是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术。重要支撑技术。 与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技
11、术）的关系91 1、什么是电力电子技术、什么是电力电子技术2 2、电力电子技术的发展史、电力电子技术的发展史3 3、电力电子技术的应用领域、电力电子技术的应用领域4 4、课程性质与学习方法、课程性质与学习方法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， 一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞生是以19571957年年美国通用电气美国通用电气公司研制出第一个公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期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。或黎明期。 19
12、04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闸管，引发了电子技术的一场革命。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
13、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。全控型器件和电力电子集成电路（PICPIC） 7070年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO）、电力双极电力双极型晶体管型晶体管（BJTBJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFETPower-MOSFET）为代表的为代表的全控型器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
14、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（PWMPWM）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8080年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBTIGBT）为为代表的代表的复合复合型器件异军突起。它是MOSFETMOSFET和和BJTBJT的复合，的复合，综合了两者的优点。综合了两者的优点。与此相对，MOSMOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCTMCT）和和集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCTIGCT）复合了MOSFETMOSFET和和GTOGTO。把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件
15、电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，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技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成混合集成技术技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技软开关技术术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了
16、电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。 2 2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史1 1、什么是电力电子技术、什么是电力电子技术2 2、电力电子技术的发展史、电力电子技术的发展史3 3、电力电子技术的应用、电力电子技术的应用4 4、课程性质与学习方法、课程性质与学习方法电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于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
17、。等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用，都是用电力电子装置进行调速的。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年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。 图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为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软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电力电子装置。电化学工业大量使用直流
18、电源，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量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电源。电力电子技术还大量用于冶金工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、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。淬火电源及直流电弧炉电源等场合。交通运输交通运输 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直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用，交流机车采用变频装置变频装置。直流直流斩波器斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮
19、列车中，电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，车辆中的各种中的各种辅助电源辅助电源也都离不开电力电子技术。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，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高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，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船
20、舶和电梯都离不开电力电子技术。电力系统电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的端的整流阀整流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻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型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来器件。近年发展起来的的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力
21、电子装置才得以也是依靠电力电子装置才得以实现的。实现的。 晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器TSC）、静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等电力等电力电子装置大量用于电力系统的电子装置大量用于电力系统的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。在配电。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，以进行压跌落、闪变等，以进行电能质量控制电能质量控制，改善供电质量。，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
22、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。蓄电池充电等都需要电力电子装置。 图图1-5 中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站图图1-6 静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）电子装置用电源电子装置用电源 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源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的器件的高频开关电源高频开关
23、电源。大型计算机所需的工作电源、。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要在大型计算机等场合，常常需要不间断电源不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，供电，不不间断电源实际就是典型的电力电子装置。间断电源实际就是典型的电力电子装置。3 3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。能源，正在逐步取代传
24、统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流
25、电源供电，这也离不开电力电子技术。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。 新能源、可再生能源发电比如风新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用电力力发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网量。当需要和电力系统联网 时，更时，更离不开电力电子技术。离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力
26、电子装置。源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。技术的用武之地。图图1-7 风场风场1 1、什么是电力电子技术、什么是电力电子技术2 2、电力电子技术的发展史、电力电子技术的发展史3 3、电力电子技术的应用领域、电力电子技术的应用领域4 4、课程性质与学习方法、课程性质与学习方法1 1、使使学学生生熟熟悉悉各各种种电电力力电电子子器器件件的的特特性性和使用方法；和使用方法；2 2、掌掌握握各各种种电电力力电电子子电电路路的的结结构构、工工作作原原理理、控控制制方方法法
27、、设设计计计计算算方方法法及及实实验验技技能；能；3 3、熟熟悉悉各各种种电电力力电电子子装装置置的的应应用用范范围围及及技技术术经经济济指指标标。同同时时，为为电电力力拖拖动动自自动动控制系统控制系统等后续课程打好基础。等后续课程打好基础。一、课程性质：一、课程性质：1 1、要着重物理概念与基本分析方法的学习，、要着重物理概念与基本分析方法的学习，理论要结合实际，尽量做到器件、电路、系理论要结合实际，尽量做到器件、电路、系统（包括控制技术）应用三者结合。统（包括控制技术）应用三者结合。2 2、要注意电路的波形与相位分析，抓住电力、要注意电路的波形与相位分析，抓住电力电子器件在电路中导通与截止
28、的变化过程，电子器件在电路中导通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作情况，从波形分析中进一步理解电路的工作情况，3 3、要注意培养读图与分析、器件参数计算、要注意培养读图与分析、器件参数计算、电路参数测量、调整以及故障分析等方面的电路参数测量、调整以及故障分析等方面的实践能力。实践能力。 二、二、学习方法：学习方法：1、掌握晶闸管、电力掌握晶闸管、电力MOSFET、IGBT等电力电子等电力电子 器件的结构、工作原理、特性和使用方法；器件的结构、工作原理、特性和使用方法；2、掌握各种基本的直流变换电路、逆变电路、整掌握各种基本的直流变换电路、逆变电路、整 流电路、和交流变换电路的结构、工作原理、流电路、和交流变换电路的结构、工作原理、 波形分析和控制方法。波形分析和控制方法。3、掌握掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软技术的工作原理和控制特性，了解软 开关技术的基本原理。开关技术的基本原理。4、了解电力电子技术的应用范围和发展动向。了解电力电子技术的应用范围和发展动向。5、掌握基本电力电子装置的实验和调试方法。掌握基本电力电子装置的实验和调试方法。1 1、什么是电力电子技术、什么是电力电子技术2 2、电力电子技术的发展史、电力电子技术的发展史3 3、电力电子技术的应用、电力电子技术的应用4 4、课程性质与学习方法、课程性质与学习方法
