电气工程概论第三章-电力电子PPT课件
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电力电子技术概述PPT课件
电力电子技术概述PPT课件•电力电子技术基本概念•电力电子器件•电力电子变换技术•电力电子系统分析与设计•典型应用案例剖析•发展趋势与挑战01电力电子技术基本概念它涉及到电力、电子、控制等多个领域，是现代电力工业的重要组成部分。
电力电子技术的核心是对电能进行高效、可靠、可控的转换，以满足各种用电设备的需求。
电力电子技术是一门研究利用半导体器件对电能进行转换和控制的学科。
电力电子技术定义从早期的整流器、逆变器到现在的高频开关电源、智能电网等，电力电子技术经历了多个发展阶段。
发展历程目前，电力电子技术已经广泛应用于工业、交通、通信、家电等各个领域，成为现代社会不可或缺的一部分。
现状随着新能源、智能电网等技术的不断发展，电力电子技术的应用前景将更加广阔。
未来趋势发展历程及现状工业领域电机驱动、电力系统自动化、工业加热等。
电动汽车、高速铁路、航空航天等。
通信电源、数据中心、云计算等。
变频空调、LED照明、智能家居等。
随着新能源技术的不断发展，电力电子技术在太阳能、风能等领域的应用将更加广泛；同时，智能电网的建设也将为电力电子技术的发展提供新的机遇。
交通领域家电领域前景展望通信领域应用领域与前景02电力电子器件电力二极管（Power Diode）结构简单，工作可靠导通和关断不可控主要用于整流电路晶闸管（Thyristor）四层半导体结构，三个电极导通可控，关断不可控主要用于相控整流电路可关断晶闸管（GTO）通过门极负脉冲可使其关断关断时间较长，需要较大的关断电流主要用于大容量场合电力晶体管（GTR）电流驱动的双极型晶体管导通和关断可控，但驱动电路复杂主要用于中等容量场合电力场效应晶体管（Power MOSFET ）电压驱动的单极型晶体管导通电阻小，开关速度快01主要用于中小容量场合02绝缘栅双极型晶体管（IGBT）03结合了MOSFET和GTR的优点01电压驱动，大电流容量，快速开关02目前应用最广泛的电力电子器件之一03电力电子变换技术整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用将交流电转换为直流电。
电力电子技术(完整幻灯片PPT
1-3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力电子技术(完整幻灯片 PPT
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力电子技术(完整幻灯片 PPT
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电气工程概论+第三章+电力系统及其自动化技术(四)ppt课件
精选ppt课件2021
3
电缆是将导电芯线用绝缘层及防护层包裹，敷设于地下、 水中、沟槽等处的电力线路。 特点：
➢ 造价高，故障定位和检修困难； ➢占地面积少，供电可靠； ➢不影响城市环境。
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4
海底电力电缆终端站
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5
3. 变电站的功能和构成
变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电 力的流向和调整电压的电力设施，它通过变压器将各级电压 的电网联系起来。
调度管理的内容
电力系统分层调度管理：国调、网调、省调、地调、县调。
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11
某电力系统地区调度室
精选ppt课件2021
12
6. 电网的安全稳定控制
电力系统安全控制的主要内容包括对电力系统进行安全监视和 安全分析，提出安全控制对策并予以实施。
安全监视：利用数据采集和传输系统获得电力系统实时信息， 供运行人员及时处理。
架空线路主要由导线、避雷线（又称 架空地线）、杆塔、绝缘子串合金具 等部分组成。
导线用来传导电流，输送电能。
避雷线用来将雷电流引入大地，保护 线路免遭直击雷的破坏。
杆塔用来支撑导线和避雷线。
绝缘子用来使导线与导线、导线与杆 塔之间保持绝缘状态。
金具用来固定、悬挂、连接和保护架 空线路各主要元件的金属器件的总称。
故障可能引起的后果：
① 短路故障点强大电能质量下降；
③ 短路电流的热效应和电动力效应会损坏设备或缩短设备 寿命；
④ 电力系统稳定性遭到破坏，产生振荡，甚至引起系统瓦 解。
精选ppt课件2021
14
电力系统非正常运行状态主要包括过负荷、过电压、非全相 运行、振荡（非同步运行）、次同步谐振、同步发电机短时 失磁异步运行等。
电力电子技术第3章(313.23)1精品PPT课件
当a = 0°时，整流输出直流电压平均值最大，用Ud0
表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ；
当a =π时，Ud = 0 ；
输出直流电压平均值围0 ~ π 。
3.2.1单相可控整流电路 ②输出电流平均值
IdU Rd0.45U R2.1c2osa
+ q
f) 0
2p
wt
wt +
wt
wt
wt
图3.4 电感负载的单相半波 可控整流电路及其波形
3.2.1单相可控整流电路
求得在一般情况下的控制特性，可以建立晶闸管 导通时的电压平衡微分方程，求解在一定φ值情况
下，控制角a与导通角θ的关系。
当R为一定值，L越大，导通角θ越大。其平均 值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小， 负载上得不到所需的功率。
第三章 AC/DC变换技术
交流电能（AC）转换为直流电能（DC）的过程称为 整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电 路。
本章主要内容 重点掌握整流电路的结构形式及其工作原理 重点掌握整流电路的工作波形 重点掌握整流电路的数学关系以及设计方法 熟悉变压器漏抗对整流电路的影响 掌握整流电路的谐波和功率因数分析 了解新型的PWM整流电路。
路转移的过程称为换流，也称换相。 ⑧自然换相点：当电路中可控元件全部由不可控
元件代替时，各元件的导电转换点，成为自然 换相点。
3.2.1单相可控整流电路
（3）基本数量关系 ①输出直流电压平均值
p ω tω t) p a a U d 2 1a p2 U 2 s i nd ( 2 2 U 2 ( 1 c o s) 0 .4 5 U 2 1 c 2 o s
③晶闸管电流平均值 流过晶闸管的电流等于负载电流，即：
表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ；
当a =π时，Ud = 0 ；
输出直流电压平均值围0 ~ π 。
3.2.1单相可控整流电路 ②输出电流平均值
IdU Rd0.45U R2.1c2osa
+ q
f) 0
2p
wt
wt +
wt
wt
wt
图3.4 电感负载的单相半波 可控整流电路及其波形
3.2.1单相可控整流电路
求得在一般情况下的控制特性，可以建立晶闸管 导通时的电压平衡微分方程，求解在一定φ值情况
下，控制角a与导通角θ的关系。
当R为一定值，L越大，导通角θ越大。其平均 值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小， 负载上得不到所需的功率。
第三章 AC/DC变换技术
交流电能（AC）转换为直流电能（DC）的过程称为 整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电 路。
本章主要内容 重点掌握整流电路的结构形式及其工作原理 重点掌握整流电路的工作波形 重点掌握整流电路的数学关系以及设计方法 熟悉变压器漏抗对整流电路的影响 掌握整流电路的谐波和功率因数分析 了解新型的PWM整流电路。
路转移的过程称为换流，也称换相。 ⑧自然换相点：当电路中可控元件全部由不可控
元件代替时，各元件的导电转换点，成为自然 换相点。
3.2.1单相可控整流电路
（3）基本数量关系 ①输出直流电压平均值
p ω tω t) p a a U d 2 1a p2 U 2 s i nd ( 2 2 U 2 ( 1 c o s) 0 .4 5 U 2 1 c 2 o s
③晶闸管电流平均值 流过晶闸管的电流等于负载电流，即：
电力电子技术(3)PPT课件
0.707Id
O
晶闸管承受的最大正反向电压均为 2 U 2 。
t
Id Id
b)
Id Id
t Id
t t t t
t
2021
为了扩大移相范围，且去掉输出电压的负值，提高的Ud 值，也可以在负载两端并联续流二极管，如图3-11所示。接 了续流二极管后， 的移相范围可以扩大到0-180°。下面通 过一个例题来说明全控桥电路接了续流二极管后的数量关系 。
分析可以看到以下几点。
(1) 任一时刻，均有两个二极管同时导通，其中电位最高相的
共阴极组的二极管和电位最低相的共阳极组的二极管导通，每个
二极管导通120。
(2) 6个二极管的导通顺序为VDl-VD2-VD3-VD4-VD5-VD6。共阴 极组换流顺序为VDl-VD3-VD5-VDl，自然换流点为图3-5中的d、e 、f等点；共阳极组换流顺序为VD2、VD4、VD6，自然换流点为 图3-5中的g、h、i等点。
2021
u2
O
t
ud
O id
i VT
O
1,4
i VT
O
2,3
O i2
O u VT 1,4
O
Id Id
Id Id
t Id
t
t t t
t
b)
图3-10 单相桥式相控整流电路 带电感性负载原理图及工作波形
数量关系
直流输出电压平均值
a a U d 1 a a2 U 2 sitd n (t) 22 U 2 co 0 s .9 U 2 cos
2021
2) 主要数量关系
直流输出电压平均值
a 1
1 c o s
U d 2a2 U 2 s intd (t) 0 .4 5 U 2 2
《电力电子技术》PPT 第3章
2
2
2
U
(sin
t
1 3
sin
3t
1 5
sin
5t
22
2
U
1
sin(2m 1)t
m12m 1
（3-11）
基波有效值
U1
2
2U
（3-12）
全高次波有效值
UH
U2 ds
U
2 1
U
2 0
U
2 n
n2
（3-13）
则图3-2(b)的波形为矩形波时，其直流成份和有效值可计算出 =0，U 0 =UU（ds 据本章习题1的数据），则总的有效值为
（3-1）
图3-1 正弦电压波形
交流电压的有效值（RMS）、平均值，波形系数和波 高系数定如下：
有效值=
最大值
2
2U U 2
平均值=
2最大值
2
2U π
0.9U
波形系数=
有效值 平均值
U 0.9U
1.11
波高系数=
最大值 有效值
2U 1.41 U
（3-2） （3-3） （3-4） （3-5）
（3-8）
在（3-8）式中， 2，f f 1设T ，t 则
a0
V0
1 T
0Tu (t )dt
1
2
02
u( )d
an
2 T
0Tu(t) cos ntdt
1
02
u( ) cos nd
bn
2 T
0Tu (t )
sin
ntdt
1
02
u(
)
sin
nd
Un
a2 n
《电力电子》课件
智能控制是一种基于人工智能的控制 方法，其工作原理是通过人工智能算 法实现电力电子设备的智能控制。
数字控制
数字控制是一种现代的控制方法，其 工作原理是通过数字电路和微控制器 实现电力电子设备的控制。
03
电力电子系统设计
系统设计方法
确定系统目标
明确电力电子系统的功能要求，如电压转换、功 率控制等。
电力电子的发展历程
1940年代
1950年代
1960年代
1970年代
1980年代至今
开关管和硅整流器的出 现，开始应用于信号放 大和处理。
晶体管的发明，开始应 用于信号放大和处理以 及无线通信等领域。
可控硅整流器（SCR） 的出现，开始应用于电 机控制和电力系统等领 域。
出现了可关断晶闸管（ GTO）等更加高效的电 力电子器件。
• 高效性：电力电子技术可以实现高效地转换和控制电能，从而提高能源利用效率。 • 灵活性：电力电子器件具有较小的体积和重量，可以方便地集成到各种系统中，实现灵活的电能转换和控制。 • 应用广泛：电力电子技术在能源转换、电机控制、电网管理和可再生能源系统中有着广泛的应用。
电力电子的应用领域
电机控制
电网管理
05
电力电子技术技术
随着电力电子器件性能的不断提 升，电力电子系统的频率逐渐提 高，实现了更高的转换效率和更 小的体积。
高效化技术
为了降低能源消耗和减少环境污 染，电力电子系统正在不断追求 更高的效率。高效化技术包括拓 扑结构优化、控制策略改进等。
电力电子在智能电网中的应用前景
THANK YOU
感谢观看
IGBT是一种广泛应用于电力电子领域的半导体器 件，其工作原理是通过控制栅极电压来调节漏极 和源极之间的电流。
电气工程学科电力电子电力系统讲义课件.pptx
电力电子技术的作用
截止到2004年底，我国发电总装机容量已达到 421500MW，其中煤炭火力发电占74%左右
利用电力电子技术对电能变换后再使用，可以节 省1/3的电能。
这1/3的能源相当于840个火电厂发出的电能。 少建火电厂，可以减少燃煤产生的二氧化碳和硫
化物。
电力电子技术的应用
一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工 业 交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航 海 电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无 功补偿 电子装置电源：为信息电子装置提供动力 家用电器：“节能灯”、变频空调 其他：UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置
配电网
配电网：可分为高压、中压和低压配电网 高压配电网：电压等级为35-110KV或更高， 中压配电网：电压等级为1-35KV，它们将来自
变电所的电能分配到众多的配电变压器，以及 直接供应中等容量的用户； 低压配电网：电压为380/220V，用于向数量很 大的小用户供电。
中国电网分布示意图
1）一般工业应用
轧钢机
冶金工业
电解铝
数控机床
2）交通运输
3）电力系统
柔性交流输电FACTS
高压直流装置HVDC
SVC
4）电子装置用电源
电子装置
程控交换机
微型计算机
5）家用电器
6）其他
大型计算机的UPS 新型能源
航天技术
可见，电力电子技术的应用范围十分广泛；
电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源 ，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电 源技术。
人均用电量是衡量现代生活水平的重要标 志。
世界人均消费电能（2000年）
中国与 北美人均电力消费对比
2 电力系统概述
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2021
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
1. 静态特性
（1）阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与
阴极之间的电压Uak与阳极电流ia 之间的关系曲线，如图3-9 所示。
2021
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I象限为正向特性区，第 III象限为反向特性区。
2021
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围
2021
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
二、大功率二极管
大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路 的续流等场合均得到广泛使用。
（一）大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN 结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图33(a)所示。 从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下， 200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b) )，200A以上则采用平板 式(图3-3(c) )。
2021
电气工程概论
第三章电力电子技术
第一节 功率半导体器件
2021
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的 基础。
功率集成电路是最近10年功率半导体器件发展的一个重要趋 势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和 保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。
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电气工程概论 （二）晶闸管的基本特性
3.1 功率半导体器件
通过理论分析和实验验证表明： 1) 只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶 闸管才能导通，两者不可缺一。 2) 晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子 随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不 必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度 的正向脉冲电压，其脉冲宽度与晶闸管开通特性及负载性质有 关。这个脉冲常称之为触发脉冲。 3) 要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数 值之下(晶闸管维持电流，约几十毫安)。通常通过降低阳极电 压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。
3.1 功率半导体器件
2. 大功率二极管的开通、关断特性
图3-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较 短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。
2021
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时 间必须考虑。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过 程，trr = 2~5微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电 路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、 关断等动态过程，通常使用快恢复二极管(反向恢复时间很短 的大功率二极管，trr = 200~500nm)。快恢复二极管具有开通 压降低、反向快速恢复性能好的优点。
功率半导体器件的发展经历了以下阶段：
大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结 构最简单、使用最广泛的一种器件。 20世纪70年代，出现了称之为第二代的自关断器件，如门极 可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。 20世纪80年代，出现了的第三代复合导电机构的场控半导体 器件，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT或IGT)为典型代表，另外 还有静电感应式晶体管、静电感应式晶闸管、MOS控制晶闸管、 集成门极换流晶闸管等。 现已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件， 它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯 片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应 用前景。
等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从
输出端送至输入端。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：
1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。 2）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时， 在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗， 总称为开关损耗。 3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率 半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。
一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性
是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流
密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时
间，能承受高的
和
；同时器件。
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电气工程概论
3.1 功率半导体器件
（二）功率半导体器件的发展
2021
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
三、晶闸管(SCR)
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管 开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导 地位。 （一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管 芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
2021
电气工程概论
（二）大功率二极管的特性
3.1 功率半导体器件
1.大功率二极管的伏安特性
二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流ia 间的关系称为伏安 特性，如图3-4所示。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电
流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性如
图3-4(b)所示。
2021
电气工程概论
电气工程概论
第三章 电力电子技术
2021
电气工程概论
第三章电力电子技术
引言
近年来基于相关技术的发展，电力电子领域得 到了高度发展。同时电力电子的市场也在迅速地扩 张，在开关电源、不间断电源、节能、自动化、运 输、感应加热、电力事业诸方面都得到了广泛的使 用。
2021
电气工程概论
第三章电力电子技术
智能功率模块IPM是功率集成电路中典型的例子，近年得到了 较为广泛的应用。
2021
电气工程概论
一、概述 （一）功率半导体器件的功能
3.1 功率半导体器件
图3-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输
出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，
应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率