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1、2023/5/27,1,电力电子技术基础 及其应用,Basic of Power Electronics Technology 徐文龙,第一讲 绪论,2023/5/27,2,2023/5/27,3,教学大纲,一课程的地位、基本要求：本课程是自动化专业基础课。对学生的要求是：掌握常用电力电子器件的工作原理，开关特性和电器特性。掌握单相、三相整流电路和有源逆变电路的工作原理，以及各种负载对电路的影响，能设计电路。掌握并设计不同用途的触发电路。了解交流调压电路、斩波电路的工作原理及电路结构、换相方法，和参数计算。掌握PWM 型逆变电路的工作原理，控制方法。了解电力电子学科的发展方向。掌握基本变流装置
2、的调试实验方法。,2023/5/27,4,课程内容,第一章：电力电子器件（7学时）功率二极管 晶闸管及其工作原理 可关断晶闸管（GTO）及其工作原理功率晶体管（GTR）功率场效应晶体管 绝缘栅晶体管（IGBT）,2023/5/27,5,第二章 单相可控整流电路,单相可控半波整流电路 单相可控全波整流电路,2023/5/27,6,第三章 三相可控整流电路,1三相半波可控整流电路2三相全桥可控整流电路3三相半桥可控整流电路4变压器漏感对整流电路的影响,2023/5/27,7,第四章 有源逆变电路,1逆变的概念2、三相有源逆变电路 3、逆变失败和最小逆变角限制4、有源逆变的应用,2023/5/27,
3、8,第五章 交流调压电路及斩波电路,单向交流调压电路三相交流调压电路斩波电路分析,2023/5/27,9,第六章 无源逆变电路,1逆变的换相方式2电压及电流型逆变电路3 SPWM逆变器及电路,2023/5/27,10,第八章 电力电子器件的触发、串、并联及其保护电路,电力电子器件的触发(控制)电力电子器件的串并联电力电子器件的保护电路,2023/5/27,11,实验要求：,触发电路和交流调压实验 单相半桥可控整流实验 三相全桥可控整流实验 无源逆变实验 单相全桥可控整流实验（选做题）三相有源逆变实验（选做题）,2023/5/27,12,电力电子技术(Power Electronics Tech
4、nology),什么是电力电子（变流）技术？为什么要学电力电子技术？怎样学习电力电子技术？,2023/5/27,13,1电力电子技术？电力电子技术是一门新兴的很有前途的一门学科。它结合了电力技术、电子技术和控制技术等三个领域。Newell提出的“倒三角”定义，已为各国所接受，即把电力电子学定义为一门交叉于电气工程三大领域：电力、电子和控制之间的边缘科学，可用倒 来表示,2023/5/27,14,国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会将电力电子技术表述为：有效地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。,2023/5/27,15,
5、电力电子技术是以电力电子器件为基础。电力电子器件的功能是将以往传统的机械产业、电力与微电子技术融为一体。极大地推动革新了传统产业的技术革命。促进了机电一体化的发展。因此，早期我们也称电力电子技术为半导体变流技术。,2023/5/27,16,电力电子技术是实现电源变换的技术，它包括了下面四种变换：1、电压变换、2、电流变换、3、频率变换、4、波形变换等等。,2023/5/27,17,2电力电子学的任务：,是通过电力半导体器件的控制作用，对电网的供电电源加以变换或控制，从而将不同形式的电源提供给各种不同的应用场合。,电力电子技术是在器件的基础上发展起来的：以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电
6、子技术的基础和核心。电力半导体器件的每一步新发展，都带来电力电子技术的革命、带动变换、电路技术的相应突破。,2023/5/27,18,电力电子技术是在器件的基础上发展起来的,1958年美国贝尔电报电话公司研制出世界上第一个晶闸管(Thyristor)，工作电流只有十几安培。但是由于它具有在电流、电压、频率三个方面的自由度的发展潜力，引起世界的重视，发展很快，为电子学进入功率系统开辟了一个新纪元。由此带来电力电子技术的革命。,2023/5/27,19,电力电子技术是在器件的基础上发展起来的,工作于工频（5060HZ）的普通整流管、晶闸管，开关功率可达5000V/5000A。器件的发展方向是开发高
7、速器件，尤其是自身兼有开通和关断能力的所谓全控型器件。70年代后各种高速、全控型器件的先后问世，使电力电子器件在电力电子领域应用越来越广泛。如GTO（可关断晶闸管）、GTR（大功率晶体管）、PowerFET（功率场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅功率晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）等等。,2023/5/27,20,电力电子技术是在器件的基础上发展起来的,70年代后各种高速、全控型器件的先后问世，使电力电子器件在电力电子领域应用越来越广泛。如GTO（可关断晶闸管）、GTR（大功率晶体管）、PowerFET（功率场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅功率晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）等等。我国的
8、整流二极管和晶闸管的生产水平可由西安电力电子技术研究所生产的KP型晶闸管作为代表。其硅片直径77mm，电流达16002500A，电压44001800V；其次是北京整流器厂的生产水平为11002500A，电压 45005000V。,2023/5/27,21,电力电子技术是在器件的基础上发展起来的,2023/5/27,22,电力电子技术是在器件的基础上发展起来的,GTR的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海海燕半导体厂为代表，生产水平为50800A，12001600V。GTO的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海整流器厂的生产线作为代表，6002500A，电压 45001800V。,2023/5/27
9、,23,功率MOS场效应管国内已有1000多伏的产品。IGBT和MCT等国内起步较晚，仍旧以日本等国产品独霸市场。电力电子器件花样繁多，各国都在扬长避短，构思新的复合器件。除了IGBT、MCT外，功率集成电路PIC就是生产需要的必然产物，它体积小、成本低、可靠性高、功能强。可以具有逻辑判断、控制、自动保护、自动检测、传感、自诊断等能力。,我国的现状1,2023/5/27,24,功率MOS场效应管国内已有1000多伏的产品。IGBT和MCT等国内起步较晚，仍旧以日本等国产品独霸市场。电力电子器件花样繁多，各国都在扬长避短，构思新的复合器件。除了IGBT、MCT外，功率集成电路PIC就是生产需要的
10、必然产物，它体积小、成本低、可靠性高、功能强。可以具有逻辑判断、控制、自动保护、自动检测、传感、自诊断等能力。,我国的现状2,2023/5/27,25,2023/5/27,26,4如何评价电力电子器件？,70年代是以电力电子器件的品质因素为主要标准。即：容量 P=电流电压80年代主要目标是高频化，评价品质因素为主要标准是：功率频率。90年代器件发展的主要目标是高性能化：大容量、高频率、易驱动、低损耗。衡量的标准有：容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。,2023/5/27,27,5电力电子器件的主要缺点？,过电压能力低；过电流能力低；某些工作状态功率因素低；对电网有影响。（这是由于器
11、件处在开关工作状态，使交流侧电流含有高次谐波，引起电源波形畸变。从而影响电网上的其它负载。）,2023/5/27,28,6变流技术？,利用电力半导体器件把电能进行变换的技术。包括电压变换、电流变换、频率变换、波形变换、相数变换。电力电子学研究变流技术，其实就是利用弱电来控制强电的一门技术。电力半导体器件本身具有的可控特性，可以通过仅也就是说，通过传感技术，把传统产业的原动机的各种控制量检测出来,利用电力技术进行各种数据处理，根据处理结果发出信号给电力电子器件。然后通过电力电子器件的电流变换来控制原动机。从某中意义上讲，当今机电产品技术上的突破主要在于电子化。,2023/5/27,29,从节能角
12、度上讲，电力电子器件工作是处在开关状态，正向压降低而反向漏电流小，从而从理论上保证了各类电力电子设备所共有的节能性能。我国严重缺电，但另一方面却用电严重浪费，每单位产值锝耗电量为日本的6倍；为美国的2-3倍，俄罗斯的1.7倍。电力电子技术应用正式解决这一矛盾的有力措施。国家科委90年就把电力电子技术列为我国的重点发展的高技术领域之一。,2023/5/27,30,7电力电子技术的应用,我国的现状大家都有所了解，传统工业大多都是50-60年代建成的，改革开放以来，引进了一些生产线，改变了一些部门的生产状况，但不可能全靠引进，也不可能走几年-几十年内把所有的机械设备全部用进口设备代替，这是人力和财力
13、不允许的。只能走引进-改造相结合的道路，这是我国之国情所决定的。电力电子技术的应用，是机电一体化成为可能。将促进我国的工业来一个大的飞跃。处在新老世纪交替的一代，面临着担负之一重任。我们肩上的担子很沉重。现代开始学习的电力电子技术就是为了打好这一基础。,2023/5/27,31,电力电子技术的应用,(-)直流电机调速用晶闸管作直流开关构成的斩波器对直流电压进行调节，即实现了直流电动机的直流脉冲调速。调速、启动、制动平稳、操作灵活、维修方便。可以不仅调速，又能实现再生制动。比电阻调速节能30%-40%以上。广泛应用在地铁电机车、矿山机车、城市机车、蓄电池电平车上。,2023/5/27,32,在我
14、国铁路上运行的内燃机车，均采用发电机-直流电动机组。内燃机带动发电机发出三相交流电，经整流成直流以驱动直流电机，电动机直接带动车轮转动，把我们载向祖国的四面八方。正在向交流驱动迈进这是一列CRH1、时速200公里的提速牵引试验列车从武汉黄鹤楼脚下飞驰而过。,2023/5/27,33,电力机车就采用：8G、8K、6K三种电力机车，单向50hz、25kv供电，均采用两段向控整流调（一段全控，一段半控，采用1700A/2200V的晶闸管和2500A/2200V整流管传动时半桥工作，直流调速；再生制动时，全控桥作为再生逆变装置（此时半控桥供激磁电流）。法国 8K电力机车，韶山6型电力机车这是一列CRH
15、2、时速200公里的提速牵引试验列车飞驰在京广线经过的鸡公山上,2023/5/27,34,在我国铁路五次大提速中担当主力军的电力机车，供电是采用单相25千伏的交流电，经整流成直流以驱动列车上的直流电机运行。下坡时利用逆变技术，实现平稳运行，并把发出的直流电通过逆变回送给电网。经过五次大提速从北京到上海只须10个小时。大部分客运实现朝发夕至和夕发朝至，极大地方便了出行，树立了中国铁路的新形象。现在正在准备实施的第六次大提速，将进一步缩减旅途时间，提高旅行的舒适度,2023/5/27,35,（二）交流调速：采用逆变或变频装置进行交流调速。我们知道，交流电机的转速,且交流电机虽有定子、转子，但不需要
16、电刷，减少了维护时间，工作效率提高。,2023/5/27,36,采用逆变技术将交流电网电压变换成电压可调、频率可调的交流电，直接供给交流电动机，实现交流电机的无级调速。可用于控制风机、水泵、机床、轧机、机车牵引、电梯、传动等到场合。应用这种静止变频装置，频率连续可调，可实现交流电动机四象限运行，调速性能优异。,2023/5/27,37,由于具有自关断能力的GTO和GTR的发展，简化了换相电路，提高了开关速度，降低了价格，为发展交流变频调速提供了很好的条件，这一技术正在开始广泛应用在各个领域。,在内燃机车中，也可以采用交-直-交的方式来实现无级调速。随着器件的不断进步，电力机车也采用交-直-交流
17、电机来驱动。,2023/5/27,38,线绕式异步电动机的串级调速是应用晶闸管可逆整流电路，将转子电压逆变成交流电送回电网。这种方式比过去用电阻调速优越，节能、调速范围宽，特别适合于泵和风机类负载。无换相电动机是一种自控式变频调速电动机。这种电机兼有交、直流电机的优点，结构简单，具有良好的控制特性。,2023/5/27,39,（三）晶闸管中频电源：它将工频交流电经整流再逆变成中频交流电供给交流负载。1。400-800Hz供电源为电子仪器供电，如雷达设备等。2。1000Hz以上中频电源则用于熔炼、热处理。西安航空发动机公司机械厂制造螺丝钉的过程（六角螺钉）。下图是513雷达和正在飞越的战斗机。,
18、2023/5/27,40,（四）不停电电源：UPS电源 主要用于不能断电的重要设备和部门。银行通信中心、计算机房、气象站、化工厂、医院和国防重要部门。想起来很简单：平时给蓄电池存电，当市电无时，把蓄电池的直流电逆变成交流电，自动投入供电。这里就用了逆变技术，仍为50Hz交流电。,2023/5/27,41,（五）电子开关：晶闸管本身就是一个无触点开关元件。动作快，损耗小，寿命长，已在多种场合取代有触点的接触点。,2023/5/27,42,（六）高压直流输电：我们平常采用的多是交流输变电，但由于引线多，架线施工复杂，有时难度很大，远距离送电损耗大，电磁污染较大。人们一直寻找替代的方法，高压直流输电
19、是一个好方向。其实际应用是先把交流发电机发出的交流电变成高压直流电，再进行远距离传送，到应用地再应用逆变技术把直流电变成交流电，供给用电设备,1989年由葛洲坝到上海南桥的500Kv、200MW直流输电线路的第一级投入运行，标志着我国电力电子技术的先驱部分已达到国际水平。三峡水电站，也采用了高压直流输电技术,2023/5/27,43,（七）空间技术：空间穿梭的飞机电源系统、卫星动力系统、飞机动力系统、受光时由太阳能电池提供动力，并给蓄电池充电；背光时由蓄电池供给卫星能量，保证机器的正常工作。如右图所示的两代火星车，上图是1997年准备登陆火星的机器人车火星漫游者1997，在着陆时损坏；右图是2
20、004年1月3月已经成功登上火星的第二代机器人车火星漫游者2003，已经向地球传回了质量清晰的火星表面的照片，极大地鼓舞了科学家们。2004年1月24日（北京时间2004年1月25日星期日下午1点多），“机遇号”（OPPORTINUTY）登陆火星。,2023/5/27,44,2023/5/27,45,我国的探月计划的探月车在深圳展览中心亮相.,2023/5/27,46,学习特点及方法,电力电子技术是一门新学科，有其自有的特点，结合了电子器件，又综合了电路知识、控制方法，理解上有一定难度。怎样才能学好？只要能坚持听课，多看一些参考书，认真做好实验，就一定能学习好电力电子技术基础这门课。,3）多看
21、参考书，每种教材都有自己的特点，它们从不同的侧面来讲述同一个道理，也可能别的教材的某些章节侧重面你理解起来更容易一些，这样你就可以选择阅读它来加深你对电力电子概念的理解，又何乐而不为呢？但要学会看参考书，不是从头到尾地看参考书，教材为基础，参考是参考，主次要分明，才能收到事半功倍的效果。,2023/5/27,47,参考书：1 现代电力电子技术 何希才、江云霞 编 国防工业出版社2 电力半导体变流技术 林木生、邵丙衡 中国铁道出版社3 现代逆变技术及其应用 李爱文、张承慧 编 科学出版社4 半导体器件 刘刚、余岳辉等 编 电子工业出版社5 变流技术 唐嘉亨 编 人民交通出版社6 电力电子变流技术
22、 黄俊 编 机械工业出版社7 电力半导体器件 聂代祚 编 电子工业出版社8 电力电子学 赵惠昌 编 兵器工业出版社9 电力电子变流技术 赵可斌、陈国雄 编 机械工业出版社,2023/5/27,48,10现代电力电子器件及其应用 华伟 周文定 编 北方交通大学出版社11电力电子技术应用基础 王汝文、张杭 西安交通大学出版社12电力电子技术 丁道宏13电力电子技术 王兆安 黄俊 编 机械工业出版社14电力电子学与交流传动 B.K.鲍斯 西安交通大学出版社15电力电子学与变频传动技术和应用 B.K.博斯 中国矿业大学出版社16现代功率电子技术 苏开才 毛宗源 国防工业出版社17新型半导体器件及其应用
23、实例 何希才 毛德柱 电子工业出版社18电力电子变换技术 林忠岳 主编 重庆大学出版社19电力电子技术 苏玉刚 陈渝光 重庆大学出版社20软开关功率变换器及其应用 王聪 编 科学出版社21变频器应用技术及电动机调速 黄立培 张学 人民邮电出版社22变频器基础及应用 原魁 刘伟强 冶金工业出版社,2023/5/27,49,2023/5/27,50,上次考试题,一、（20）简答题：1。国际电气和电子工程师协会电力电子学会将电力电子技术表述为：2。应用电力电子器件可以构成的变流装置有：3。IGBT器件的中文名是什么？画出它的符号。4。1.分析引起晶闸管导通的几种原因并说明哪些是正常要用的？哪些是需要
24、防止的？5。在电力电子中什么是换相？举例说明。,2023/5/27,51,二、(15)试分析画出单相半波可控整流电感-电阻负载的主回路及其输出波形。并计算当U2=220伏、=60时的输出直流平均电压Ud,2023/5/27,52,三、(15)画出三相半波逆变电路=30时的电流波形、晶输出电压波形、闸管DT1两端电压波形，并计算Ud,说明电路工作过程。,2023/5/27,53,四、（15）如图所示的电路及输出波形，试叙述电路完成的功能、应用场合，电路的特点，并在波形括号中填上1、2、3空。,2023/5/27,54,五（10）如下图的四象限工作的可逆电路，第一象限整流，已标出了能量的传输方向，请标出其它各象限的工作情况在图中的括号中，另标出其它各象限的能量的传输方向、电源的极性。,2023/5/27,55,六、（15）触发脉冲电路如图，试画出电路中A、B、D各点波形及ug波形。,2023/5/27,56,七、三相全桥可控整流电路的ud、晶闸管DT1两端电压ud1的波形，并计算Ud,2023/5/27,57,采用多媒体教学是为了让同学们了解更多的知识。效果可以在后面的实践中来观察体会。请同学们多提宝贵的意见和建议 谢谢 二0一0年四月,
