第四章 电力电子技术与电力传动
电力电子与电力传动
电力电子与电力传动一、专业介绍电力电子与电力传动是电气工程一级学科下属的二级学科，是一门综合了电能转换、电磁学、自动控制、微电子技术及电子信息、计算机技术等学科新成就而迅速发展起来的交叉学科。
1、研究方向目前，各大院校与电力电子与电力传动专业相关的研究方向都略有不同的侧重点。
以北京理工大学为例，该专业所包含的研究方向有:01 电力电子应用及其控制技术02 车辆电力传动理论与设计03 电力电子系统电磁兼容与安全技术2、培养目标热爱祖国，有社会主义觉悟和较高道德修养，在电力电子与电力传动领域具有坚实宽广的理论基础和系统深入的专业知识与技能，具有从事本领域科学研究工作或独立担负专门技术工作的能力，能适应社会对电力电子与电力传动方面的科研、教学、系统设计及软件开发等专门人才的需求。
3、专业特色本学科以电力电子器件为基础，涉及到电气、自动控制、计算机，微处理器技术等多个学科，是一门集电力、电子与控制于一身的新兴交叉学科。
电力电子与电力传动以电气工程领域内的电力电子器件、电气传动控制系统为主要研究对象，着重于电力电子器件的应用、功率变换装置和交、直流电机传动及伺服控制系统的分析、设计与综合。
4、研究生入学考试科目：初试科目：①101思想政治理论②201英语一③301数学一④881电工与电子技术(注：以上北京理工大学为例，各院校在考试科目中有所不同)二、推荐院校电力电子与电力传动硕士全国招生较强的单位有：浙江大学、合肥工业大学、中国矿业大学、西安交通大学、西安理工大学、华中科技大学、清华大学、南京航空航天大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学、天津大学、西北工业大学、西安电子科技大学、北京交通大学、山东大学三、就业前景(一)应用逐渐多元化，顺应时代趋势电力传动系统是电力电子器件典型的应用领域，在国民经济中占有极其重要的地位，具有广阔的发展前景。
电力电子作为节能，自动化、智能化、机电一体化的基础正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。
电力电子技术与电力传动
人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效果， 人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效果，使这在某些 调速场合代替了直流电动机。 调速场合代替了直流电动机。 除了普通的直流电机和交流电机外，还有各种微控电机。 除了普通的直流电机和交流电机外，还有各种微控电机。微控电 机广泛用于各种家电、办公设备和伺服控制系统中。 机广泛用于各种家电、办公设备和伺服控制系统中。微控电机的 发展和应用，也是电机发展和应用的一个重要方面。 发展和应用，也是电机发展和应用的一个重要方面。 电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。 电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。电机调速传 动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵引调速传动和精密、 动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵引调速传动和精密、特 种调速传动四大类。 种调速传动四大类。
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印刷板上的平面变压器
3.5 电子电路的封装与制造
电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、散 电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、 热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题。 热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题。
智能化的IGBT模块封装 智能化的IGBT模块封装
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3.6 电磁干扰和电磁兼容
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3.2 变换器电路结构与设计
根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式： 根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式：
交流-直流变换器（AC/DC）——整流器； 交流-直流变换器（AC/DC）——整流器； 整流器 直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器 直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器； 斩波器； 直流-交流变换器（DC/AC）——逆变器 直流-交流变换器（DC/AC）——逆变器； 逆变器； 交流-交流变换器（AC/AC）——交流调压器 周波变换器； 交流-交流变换器（AC/AC）——交流调压器、周波变换器； 交流调压器、
电力电子与传动知识点
电力电子与传动知识点电力电子和传动是现代电气工程领域中的重要学科，广泛应用于各个行业和领域。
本文将简要介绍电力电子和传动的一些基本知识点，帮助读者更好地理解和应用这些知识。
一、电力电子基础知识1. 电力电子的概念与应用：电力电子是指将电能进行转换、控制和调节的技术与学科。
它使用电子器件和电力器件，将电能从一种形式（如交流电或直流电）转换为另一种形式，以满足不同的电力需求。
电力电子广泛应用于变频调速、电力拖动、电力供应稳定等领域。
2. 主要电力电子器件：（1）整流器：将交流电转换为直流电的装置，如单相整流桥、三相整流桥等。
（2）逆变器：将直流电转换为交流电的装置，如单相逆变器、三相逆变器等。
（3）开关管：常用的有晶闸管、场效应管、二极管等。
3. 电力电子的控制：电力电子装置的控制需要通过触发器、门极驱动电路等进行，以实现对电力电子器件的开关控制和频率调节。
二、传动系统基础知识1. 传动系统的概念与分类：传动系统是指将动力从源端传递到工作机构的系统。
根据传递方式和机构种类的不同，传动系统可分为机械传动、液压传动、气动传动、电动传动等。
其中，机械传动又可分为齿轮传动、带传动、链传动等。
2. 齿轮传动：（1）齿轮的基本知识：齿轮是用于传递动力和运动的机械元件，由齿轮齿条构成。
齿轮分为直齿轮、斜齿轮、蜗杆和蜗轮等。
（2）齿轮传动的优缺点：齿轮传动具有传递效率高、承载能力强、平稳传动等优点，但也存在噪声大、齿轮磨损和啮合效率低的缺点。
3. 带传动：（1）带传动的基本知识：带传动是通过带状零件将动力传输到工作机构的一种传动方式。
常见的带传动有平带传动和牵引带传动。
（2）带传动的优缺点：带传动具有结构简单、噪声小、传动平稳等优点，但传递功率较小、弹性变形大的缺点。
三、电力电子与传动的结合应用1. 电力电子与变频调速系统：电力电子在变频调速系统中起到至关重要的作用。
它可以将输入的电能通过变频器转换为可调频率的电能，进而控制电动机的转速和运行状态。
第四章 电力电子技术与电力传动
电气工程专业导论
13
一．电力电子技术的作用（续）
容量为12kV/1.5kA的晶闸管
电气工程专业导论
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一．电力电子技术的作用（续）
电力电子可控开关元件
电气工程专业导论
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一．电力电子技术的作用（续）
——电力电子变换技术
电源可分为两类： 直流电（D.C） ，频率 f =0 交流电（A.C） ，频率 f 0
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。
Converter Inverter
这四类基本变换可以组合成 许多复合型电力变换器
电气工程专业导论
16
主要发展发展方向
高频化；
控制数字化；
大容量化
电气工程专业导论
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高频
电气工程专业导论
电气工程专业导论
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软开关：
软开关
和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到 零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为 零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关 断问题。理想的软开通过程是电压先降到零，电流在 缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结 电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。
第四章 电力电子技术与电力传动
一．电力电子技术的作用 二．电力电子技术的特点 三．电力电子技术的研究内容 四．电力电子技术的主要应用领域 五．电力电子技术的发展方向
六．电力传动概况
电气工程专业导论
1
一．电力电子技术的作用
电气工程专业导论
2
电力系统
交流电源 （交流发电机）
直流输电 交流/直流 直流/交流
电气工程专业导论
电气工程概论第四章电力电子技术与电力传动
采用SVC、DVR和APF的电能质量 控制示意图
电气工程概论
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4.5 电力电子技术的主要应用领域
电力电子技术的主要应用领域： ① 电源设计中的电力电子技术； ② 电机传动中的电力电子技术； ③ 电力系统中的电力电子技术； ④ 汽车工业中的电力电子技术； ⑤ 绿色照明中的电力电子技术； ⑥ 新能源开发中的电力电子技术；
电力电子技术中研究电磁干扰和电磁兼容是重要的内 容之一。
电力电子设备在做电磁干扰试验
电气工程概论
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7. 电机控制
电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。 电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵 引调速传动和精密、特种调速传动四大类。
交流电机及其矢量控制调速变频器
电气工程概论
电气工程概论
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正是因为电力传动系统具有如此广泛的应用背景， 再加上电力电子技术的飞速发民，近十年来全球 工业应用的电机调速装置增长了25%，远远超过 了前30年的增长率。
随着微电子技术和自动控制技术的发展，使全数 字微机控制的电力拖动系统得以问世并迅速发展 起来。微机控制技术在电力拖动系统中的应用给 这一领域注入了新的活力，使之呈现现出蓬勃发 展的新景象。
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8. 电力稳定与电能质量 控制
电能质量包括几个方面内容： 电压质量、电流质量、供电 质量、用电质量。
FACTS装置：静止无功补偿 器（SVC）、晶闸管控制的 串联投切电容器（TSSC）、 可控串联补偿电容器 （TCSC）、统一潮流控制器 （UPFC）等。
定制电力技术：APF、DVR、 SVC、SSCB等
第4章 电力电子技术与电力传动
电气工程概论
1
4.1 电力电子技术的作用
自然科学知识：电力电子学和电气传动
自然科学知识：电力电子学和电气传动电力电子学和电气传动电力电子学和电气传动是现代电气工程领域中最重要的方向之一。
随着现代社会的快速发展和对电能的需求日益增加，电气传动和电力电子学技术也得到了快速发展和广泛应用。
电力电子学是将电气能量转换成其他形式的能量的一种技术，其主要任务是将电能变成可用的或更适合特定用途的形式。
在电力电子学的研究和应用过程中，主要研究电子能量变换器、半导体开关功率电子装置、电力电子传动系统、电力质量改善、电力能量调节等方面的问题。
电力电子学的发展，为电力系统的信息化、高效化和智能化提供了新的技术手段。
电气传动技术是利用电力传动装置对机械运动进行控制和驱动的一种技术。
在这个技术领域中，主要研究电气传动系统、电机和驱动控制器等问题。
电气传动技术广泛应用于工业生产的各个领域中，例如机床、冶金、石化、挖掘机械、轨道交通、电梯、升降机、风力发电等领域。
通过电气传动技术，不仅可以提高生产效率和减少能源消耗，同时也可以提高工作环境的安全性和稳定性。
电力电子学和电气传动技术相互关联，在工业生产和现代社会中都有着重要的应用。
例如，在电机驱动系统中，需要使用功率半导体电子元件和高速控制方法来实现对电机控制，从而使电机系统具有快速响应性和高效性。
在风力发电等分布式能源系统中，电力质量的改善需要电力电子学技术的支持，同时也需要电气传动技术来实现电能的传输和分配。
总体来说，电力电子学和电气传动技术的发展主要受到科技进步和应用需求的影响。
未来，这两个技术领域还有很大的发展空间，将进一步推动工业生产和社会发展的进步和创新。
电气工程概论电力电子与电气传动
2）正向压降UF
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对 应的正向压降。
3） 反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。
使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr= td+ tf
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。
计算机
人脑
电力电子技术 电力电子＋运动控制
消化系统和循环系统 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，
因此，电力电子技术将青春永驻。
一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。
2 电力电子技术的发展史
历史是人类社会的一面镜子 分析过去、现在有助于把握未来
电压驱动型
——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信 号就可实现导通或者关断的控制。
2 不可控器件—电力二极管（略）
2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2 电力二极管的基本特性 2.3 电力二极管的主要参数 2.4 电力二极管的主要类型
➢ Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪50年代初期就获得应用。
电子技术的基础 — 电子器件： 晶体管和集成电路
电力电子电路的基础 — 电力 电子器件
1 电力电子器件概述
1.1 电力电子器件的概念和特征 1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.3 电力电子器件的分类
1.1电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
电力电子与电力传动学科
电力电子与电力传动学科本学科是电气工程一级学科下的二级学科，是一个既涉及传统电气技术，又会聚了现代电力电子技术、信息与操纵技术的工程应用学科。
特点是综合了强电与弱电、电力与电子、硬件与软件、测量与操纵等多学科的知识，实现对供配电系统、电力拖动系统及机电自动化设备与生产线的供电、驱动与操纵及深层次的理论研究。
本学科与电子科学与技术、信息与通信工程、运算机科学与技术、仪器科学与技术、电路与系统等学科相互交叉，紧密联系，理论深入而又工程性强。
近年来进展势头良好，社会对此方面的高级技术人才有专门好的需求。
一、培养目标本学科硕士学位培养过程中以电力电子、电机拖动及操纵、供配电技术与测量传感及工程操纵为核心，硕士学位获得者应把握电力电子与电力传动科学的基础理论与技术，并把握电子科学、运算机科学及信息科学的一样理论与技术，具有从事电力拖动与操纵系统、供电系统和电子信息系统科学以及相关领域的研究开发及教学工作能力，有严谨求学的学风和高尚的职业道德，熟练把握一门外语。
二、研究方向01机电伺服驱动及操纵技术02电力传动操纵与变流技术03电力电子智能功率驱动及操纵04电力系统自动化05电力电子与电力传动系统06电能质量与操纵三、培养方式和学习年限全日制硕士研究生学习年限一样为两年半至三年；在职硕士研究生学习年限一样为三年半至四年；提早完成硕士学业者，可提早半年毕业；假设因客观缘故不能按时完成学业者，可申请适当延长学习年限，延长时刻不得超过半年。
四、学分与课程学习差不多要求总学分要求不低于26学分，其中课程总学分不低于24个学分，必修环节不低于2学分。
课程学分要求中，学位课不低于15学分，其中所有公共基础课必修〔皆为校统考课程〕，基础课至少选修一门。
学位课能够代替非学位课，但非学位课不能代替学位课。
关于跨学科专业或同等学力录用的硕士生须补相应专业本科核心课程至少3门，但不计学分。
五、课程设置〔详见课程设置表〕六、必修环节〔参见第98页〕七、学位论文〔参见第98页〕电力电子与电力传动学科硕士研究生课程设置。
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电气精工品程课专业件导论
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软开关：
ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
精品课件
软开关
ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
• 和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降 到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近 似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了 感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零 ，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为 零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问 题。
一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOLOGY
容量为12kV/1.5kA的晶闸 管
精品课件
14
一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOLOGY
电力电子可控开关元件
精品课件
15
一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOLOGY
• IEEE Transaction ON Industrial Electronics • IEEE Transaction ON Power Electronics • IET Transaction ON Power Electronics • • 中国电机工程学报 • 电工技术学报
精品课件
13
方案一: 电阻降压
精品课件
8
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方案二: 串联晶体管
精品课件
9
ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 串联LC, 滤出谐波, 滤波器的截止频率<<开关频率
精品课件
10
ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
3
一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOLOGY
当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电 能中有40%需要经过电力电子设备的变换才能被使用。 IEEE给出电力电子技术的定义：
Power electronics is the technology associated with the efficient conversion, control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form. 它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门 技术，以控制理论为基础、以微电子器件或计算机为 工具、以电子开关器件为执行机构实现对电能的有效 变换。
方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗
VD0
1 Ts
Ts 0
vo(t)d
tDV D
精品课件
D 开关占空比 Ts 开关周期
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一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOLOGY
电力电子技术的基本工作框图：
精品课件
12
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精品课件Biblioteka 4一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOLOGY
更普遍的定义：电力电子学是一门利用电力电子器 件对电能进行控制和转换的学科。电力电子技术的 根本特性——节约能源。
精品课件
5
一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOL— OGY—例1
精品课件
16
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主要发展发展方向
• 高频化；
• 控制数字化；
• 大容量化
精品课件
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• 高频
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电气精工品程课专业件导论
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第四章 电力电子技术与电力传动 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
一．电力电子技术的作用 二．电力电子技术的特点 三．电力电子技术的研究内容 四．电力电子技术的主要应用领域 五．电力电子技术的发展方向 六．电力传动概况
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1
一．电力电子技术的作用 ANHUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
• 传统电力技术如何将交流电变为直流电？ • 基本原理 • 缺点
精品课件
6
一．电力电子A技NHU术I U的NIVE作RSI用TY O（F TE续CH）NOL— OGY—例2
如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
✓ DC/DC直流降压电路
精品课件
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精品课件
2
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电力系统
交流电源 （交流发电机）
直流输电 交流/直流 直流/交流
直流电源（太 阳能电池等）
直流/交流
电力电子技术的应用领域
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一般工业系统 （钢铁等）
交通运输
（电气化铁道、电 动汽车）
家用电器产品 （逆变器空调等）
其它（如 UPS)
• 高频 • 软开关技术
精品课件
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硬开关：
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精品课件
硬开关：
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• 1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同 时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电 流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而 急速增加。 2. 当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频 率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件 两端，易造成器件击穿。 3. 当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电 容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高， 开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。 4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增 大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电 子设备的工作。
——电力电子变换技术
• 电源可分为两类： – 直流电（D.C） ，频率
f =0
– 交流电（A.C） ，频率
f 0
• 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 。
Converter Inverter
• 这四类基本变换可以组合成 许多复合型电力变换器