电力电子学科
电力电子技术及其应用
电力电子技术及其应用随着现代工业的快速发展，电力电子技术作为一门重要的学科得到了广泛关注和应用。
本文将从电力电子技术的基本理论、应用领域以及未来发展方向等方面进行论述，以帮助读者更好地了解电力电子技术的重要性和潜力。
一、电力电子技术的基本理论电力电子技术是将电力与电子技术结合起来，实现对电能的高效转换和控制。
在电力电子技术中，一些基本的理论起到了至关重要的作用。
1.1 电力电子器件电力电子技术依赖于各种电力电子器件的设计和应用。
最常见的电力电子器件包括晶闸管、二极管和MOSFET等。
这些器件能够实现电能的调节、转换和控制，是电力电子技术的基石。
1.2 模块化与开关技术模块化技术能够将电力电子系统分为不同功能模块，实现相互独立的控制和运行。
而开关技术则可以实现电力电子器件的高效开关，并确保传输效率的最大化。
1.3 控制与调节电力电子技术的重要一环是对电能进行精确的控制与调节。
通过使用控制器、传感器以及反馈机制等手段，可以实现对电能的精确测量和调节，提高电力系统的效率和稳定性。
二、电力电子技术的应用领域2.1 新能源发电与配电新能源发电技术是当前一个热门的研究领域，而电力电子技术在新能源发电中扮演着重要的角色。
通过对风能、太阳能等新能源的高效转换和控制，电力电子技术可以帮助解决传统能源短缺和环境污染等问题。
2.2 液态晶体显示技术液态晶体显示技术已经成为现代家电和信息技术领域的基础。
电力电子技术在液态晶体显示技术中的应用包括液晶电视、计算机显示屏等，这些设备都离不开电力电子技术的支持和驱动。
2.3 电力传输与变换电力传输与变换是电力电子技术的典型应用之一。
通过使用电力电子器件和控制技术，可以实现对输电线路的电能转换和控制，提高电力传输的效率和可靠性。
三、电力电子技术的未来发展方向3.1 高效能源利用与储能技术在能源短缺和环境问题的背景下，高效能源利用与储能技术变得尤为重要。
电力电子技术可以通过创新电力电子器件和控制方法，实现对能源的高效转换和储存，从而有效提高能源利用率。
电力电子与电力传动专业介绍
电路、磁路、电磁场。
3
1.1电力电子学科的形成 2.电子技术
• 主要器件： 晶体管、场效应管、 集成电路、微处理器、 电感、电容。
• 完成功能： 信号产生、变换、存储、 发送、接受。 • 基础理论： 电路、磁路、电磁场。
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1.1电力电子学科的形成
3.电力电子技术
• 主要器件： 晶体管、场效应管、 集成电路、微处理器、 电感、电容。 • 完成功能： 发电、输电、配电、用电 中的电能变换与控制。 • 基础理论： 电路、磁路、电磁场 。
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1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义
经过变换处理后再供用户使用的电能，占全国发电总量 的百分比的高低，已成为衡量一个国家技术进步的主要 标志之一； 预计到2020~2030年，美国发电站生产的全部电能都将 经变换和处理后再供负载使用； 2003年美国制定了“国家电力传输路线图”计划，电力 电子被列为五大关键技术之一； 电力电子技术是近年来受到各国关注的智能电网的关键 技术之一； 风能、太阳能等新能源的利用几乎都离不开电力电子技 术的支撑。
电力电子与电力传动
电力电子与电力传动
1 .电力电子学科的形成
2. 电力电子与电力传动技术的经济意义
3. 电力电子与电力传动的研究方向
4.电力电子与电力传动的学科前沿
2
1.1 电力电子学科的形成
1.电力技术
• 主要设备： 电机、开关、变压器、 电感、电容、输电线。 • 完成功能： 发电、输电、配电、用电。
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4. 电力电子与电力传动的学科前沿
1 ）高频开关电源技术：所有的信息系统与通信 设备都需要使用开关电源，小到各种便携数码产 品，还有现 在时兴的各种平板电视，大到服务 器系统、通信基站机房、及种种航空设施等； 2 ）在电力系统中的应用：如各种谐波补偿、有 源滤波装置等，还有不断发展的不间断电源设备 （UPS），电动汽车的驱动与控制系统，电机的 节能驱动方面，如各种变频器，在当前能源短缺 的状况下，太阳能、风能及各种再生能源的应用 。
电力电子技术-研究生课程
A
C
vi
Ii
S1
+
电源
io +vo
负 载
vi
+
Ii
电源
-
C vo
io
+
S1 S3
A
负 载 B
-
-
B
D
S2
S4
D-
S2 (a)带 开 关 的 电 路
(b)桥 式 开 关 电 路
12
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
1.3.1 AC/DC基本整流电路
vs
A.C
S1
A
ii
S2
C vo L
S3
i0
vD
V d
C R
B
S4 D
(a) 整 流 电 路
工作方式：相控、斩波 分析方法：傅立叶分解 、积分 考虑问题：开关时刻、 滤波
vo v s V m sin t
vo
vo V m sin t
2 V d V m
V d
0
t 2
vo
0
vo T on
0
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
1 电力电子变换和控制技术导论
1.1 电力电子学科的形成 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义 1.3 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法 1.4 开关型电力电子变换器基本特性 1.5 开关型电力电子变换器的应用领域 课程学习要求
1
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）
19世纪70年代，有人开始有了用开关控制电能的想法 20世纪40年代，随着电子技术的发展人们开始探索用电
电力电子技术的未来发展趋势是什么？
电力电子技术的未来发展趋势是什么？在当今科技飞速发展的时代，电力电子技术作为一门关键的交叉学科，正以前所未有的速度改变着我们的生活和工业生产方式。
从智能手机的快速充电到电动汽车的高效驱动，从可再生能源的大规模并网到智能电网的优化运行，电力电子技术的身影无处不在。
那么，未来电力电子技术又将朝着哪些方向发展呢？首先，更高的功率密度和效率将是电力电子技术追求的重要目标。
随着电子设备的日益小型化和功能的不断强大，对电源模块的功率密度提出了越来越高的要求。
通过采用新型的半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），以及优化电路拓扑结构和控制策略，可以显著提高电力电子装置的功率密度和效率。
这不仅能够减少设备的体积和重量，还能降低能源消耗，为实现可持续发展做出贡献。
在半导体技术方面，宽禁带半导体器件的发展将成为未来的主流趋势。
相较于传统的硅基半导体器件，SiC 和 GaN 具有更高的击穿电场强度、更高的热导率和更低的导通电阻。
这使得它们能够在更高的电压、温度和频率下工作，从而提高电力电子系统的性能。
例如，在电动汽车的充电器中，采用 SiC 器件可以大大缩短充电时间，提高充电效率；在光伏逆变器中，使用 GaN 器件能够降低能量损耗，增加发电量。
集成化也是电力电子技术未来发展的一个重要方向。
将多个功能模块集成在一个芯片上，可以减少寄生参数，提高系统的可靠性和稳定性。
此外，系统级封装（SiP）和三维封装技术的不断进步，将为电力电子集成化提供更多的可能性。
未来，我们可能会看到更多高度集成的电力电子模块，它们不仅具有功率变换功能，还集成了驱动、控制和保护等电路，从而简化系统设计，降低成本。
智能化控制技术将在电力电子领域发挥越来越重要的作用。
随着人工智能、大数据和机器学习的发展，电力电子系统可以实现更加精确和自适应的控制。
通过对系统运行数据的实时监测和分析，智能控制器能够根据负载变化和工作环境的动态调整控制策略，以达到最优的性能。
电力电子课程设计课本
电力电子课程设计课本一、教学目标本节课的教学目标是使学生掌握电力电子学的基本概念、原理和应用，培养学生对电力电子技术的兴趣和热情，提高学生的科学素养和创新能力。
具体目标如下：1.知识目标：学生能够了解电力电子学的基本概念、原理和主要器件，理解电力电子电路的工作原理和性能，掌握电力电子技术的应用领域。
2.技能目标：学生能够分析简单的电力电子电路，进行电力电子器件的选择和应用，具备设计简单的电力电子电路的能力。
3.情感态度价值观目标：学生能够认识电力电子技术在现代社会中的重要性和地位，培养对电力电子技术的兴趣和热情，提高科学素养和创新能力。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括电力电子学的基本概念、原理和应用。
具体安排如下：1.电力电子学的基本概念和原理：介绍电力电子学的定义、特点和基本原理，讲解电力电子器件的分类、特性和应用。
2.电力电子电路：分析电力电子电路的工作原理和性能，介绍电力电子电路的常见应用领域，如电力变换、电力控制等。
3.电力电子技术的应用：介绍电力电子技术在现代社会中的应用案例，如变频调速、电动汽车、智能电网等，强调电力电子技术对现代社会的重要性和影响。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本节课将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
具体方法如下：1.讲授法：通过讲解电力电子学的基本概念、原理和应用，使学生掌握电力电子技术的基本知识。
2.案例分析法：通过分析具体的电力电子应用案例，使学生了解电力电子技术在实际工程中的应用和价值。
3.实验法：学生进行电力电子实验，使学生亲自操作和观察电力电子电路的工作原理和性能，提高学生的实践能力和创新能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，本节课将采用以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的电力电子学教材，为学生提供系统、科学的学习材料。
2.参考书：推荐学生阅读电力电子学相关的参考书籍，拓展学生的知识面。
3.多媒体资料：制作精美的PPT、视频等多媒体资料，为学生提供直观、生动的学习资源。
电力电子技术的应用
03
电力电子技术在电动机 控制中的应用
直流电动机控制
01
02
03
调速控制
通过改变电枢电压或电枢 电阻实现直流电动机的调 速，满足不同负载和速度 需求。
制动控制
在电动机停车或减速时， 通过接入制动电阻将动能 转化为热能，实现快速停 车。
正反转控制
通过改变电动机电枢电压 的极性，实现电动机的正 反转。
3
并网技术
与太阳能光伏发电系统类似，风能发电系统也需 要实现与电网的连接，确保风电能够安全、稳定 地并入电网。
燃料电池发电系统
燃料电池控制技术
通过控制燃料电池的工作状态，调整其输出电压和电流，以满足 负载的需求。
能量管理系统
实现燃料电池与其他能源（如太阳能、风能等）的互补利用，提 高能源利用效率。
绿色能源技术
发展可再生能源和清洁能源技术，减少对传统能源的依赖，降低环 境污染。
实现数字化和智能化控制
数字化控制技术
采用高性能数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）等数字 化控制技术，提高电力电子系统的控制精度和响应速度。
智能化控制技术
引入人工智能、机器学习等先进技术，实现电力电子系统的自适应、 自学习和自优化控制。
航天电源系统
运用电力电子技术为航天器提供稳定、可靠的电源供应，包括太阳能电池阵、蓄电池组和电源管理单元等。
06
电力电子技术的挑战与 未来发展
提高转换效率和可靠性
优化拓扑结构
通过改进和创新电力电子变换器的拓扑结构，提 高能量转换效率，减少能量损失。
高效控制策略
研究先进的控制算法和策略，实现电力电子系统 的高效、稳定和可靠运行。
可实现输入电压的升降压转换，适用于输入电压范围较大的应用。
《电力电子技术》PPT课件
可控硅时代
通过控制电流导通角，实现电 压和功率的调节。
现代电力电子时代
以IGBT、MOSFET等为代表 ，实现高效、快速的电能转换
。
电力电子技术的应用领域
电力系统
用于高压直流输电、无 功补偿、有源滤波等， 提高电力系统的稳定性
和效率。
电机驱动
用于电动汽车、电动自 行车、电梯等电机驱动 系统，实现高效、节能
照明控制
通过电力电子技术可实现 对照明设备的调光和调色 ，提高照明质量和节能效 果。
加热与焊接
电力电子技术可用于控制 加热设备的功率和温度， 实现精确控温和高效能焊 接。
交通运输应用
电动汽车驱动
电力电子技术是电动汽车 驱动系统的核心，可实现 高效能、低排放的驱动控 制。
轨道交通牵引
通过电力电子技术可实现 轨道交通车辆的牵引控制 和制动能量回收。
交流-交流变流电路的工作原理
通过电力电子器件的开关作用，改变输入交流电 的电压和频率，得到所需的输出交流电。Fra bibliotekABCD
交流-交流变流电路的分类
变频电路、变压电路等。
交流-交流变流电路的应用
电机调速、风力发电、太阳能发电并网等。
一般工业应用
01
02
03
电机驱动
电力电子技术可用于控制 电机的速度和转矩，提高 电机的效率和性能。
通过求解系统微分方程或差分方程，得到系统输 出与输入之间的关系，进而分析系统性能。
频域分析法
利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，通 过分析系统频率响应特性来评估系统性能。
3
状态空间分析法
通过建立系统状态空间模型，分析系统状态变量 的变化规律，从而研究系统的稳定性和动态性能 。
电力电子学科的技术研究及进展
微 电 网 系 统 理 论
电力电子领域的科学（技术）研究及 问题思考
电 电
电电电电电电
PWM电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电 电
电电
电 电电电电电电 电电电电电电 电电电电电电电电 电电
电
电电电电
电电
电
电电
电
电电
电 电电电电电电 电 电 电电电电电
电电电电电电 电电
电电电电电电 电电电电电电电电
一般小于20KHz）。
电力电子学科的研究内容及进展
功率半导体的物理特性：
电力电子学科的研究内容及进展
电力电子学科的研究内容及进展
电力电子学科的研究内容及进展
▪ 功率半导体小结：
电力电子学科的研究内容及进展
▪ 电力电子变流技术 1）变流器基本电路拓扑的研究已比较成熟； 2）在小功率变流技术方面，提高变流器的功率密度、 效率和降低成本是各种新技术发展所追求的目标； 3）在超大功率变流技术方面，研究和优化变流器的 组合拓扑（包括各种多电平拓扑），可靠性和适应 性是追求的目标。 4）特别关注标准拓扑优化、非线性电路阻抗特性、 变流器串并联及其稳定性等问题。
电力电子学科的研究内容及进展
4 电力电子系统集成
对象：电力电子应用系统
内容：电力电子系统组装和集成方法； 电力电子集成系统的稳定性和可靠性； 电力电子系统的电磁兼容和可靠性； 电力电子集成系统的热力学模型。
电力电子学科的研究内容及进展
▪ 电力电子元器件的研究进展
电力电子学科的研究内容及进展
▪ 硅功率半导体器件
➢ 电力电子系统开关函数模型（以时间点为参量建立的模型）
方法：将电力电子的开关动作等效成开关函数建立电路模型。
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与电力电子有关的国际著名学术组织：
1、IEEE—The Institute of Electrical And Electronics Engineers（电气与电子工程师协会(美国)）
网址：
（1）PELS--The Power Electronics Society （电力电子学会）
网址：
期刊：IEEE Transactions on Power Electronics
（2）IES--The Industry Electronics Society （工业电子学会）
网址：/soc/ies
期刊：IEEE Transactions on Industrial Electronics
（3）IAS--The Industry Application Society （工业应用学会）
2、IEE--he Institute of Electrical Engineers（电气工程师学会(英国)）
网址：
3、IEE—The Institute of Electrical Engineers of Japan（日本电气学会）
网址：http://www.iee.or.jp
国内著名学术组织：
一、中国电工技术学会（CES——China Electroechnical Society）
中国电工技术学会成立于1981年，其专业范围包括：电机、电器、电力电子技术及装置、计算机应用、自动控制等领域。
期刊：电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），双月刊。
中国电工技术学会有许多分会，其中与电力电子技术关系较为密切的分会包括：
1、电力电子学会（Power Electronics Society）
期刊：电力电子技术（Power Electronics），双月刊
学术会议：中国电工技术学会电力电子学学术年会，由中国电工技术学会主办，每2-3年举办1届。
2、电控装置与系统专委会(暨中国自动化学会电气自动化专委会)（EACS——Annual Conference on Electrical Automation and Control Systems）
期刊：电气传动（Electric Drive），双月刊
学术会议：（1）中国电气自动化与电控系统学术年会，每2年举办1次
（2）中国电力电子与传动控制学术会议，由电控装置与系统专委会、电力电子学会等7个二级学会联合主办，每２年举办１次。
二、中国电机工程学会（CSEE—Chinese Society for Electrical Engineering）
中国电机工程学会创立于1934年11月，其专业范围主要是有关电机工程方面。
有关期刊：中国电机工程学报，双月刊
三、中国电源学会（CPSS——China Power Supply Society）
中国电源学会成立于1983年，其专业范围包括不间断电源（UPS）、通信电源、交流稳定电源、电流稳压点源、各类工业电源、专用电源、化学和物理电源、电源配套产品
学术会议：中国电源学会学术年会，每2年举办1次
四、其他有关期刊
电气自动化(Electrical Automation)
电气传动自动化(Electrical Drive Automation)
电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)
电力系统自动化
电机与控制学报
研究团队：
浙江大学：电力电子技术国家专业实验室和电力电子应用技术国家工程研究中心
汪槱生（院士）、徐德鸿、钱照明、盛况、何湘宁、吕征宇教授等；
西安交通大学：西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心国家级教学团优秀教学团队
王兆安、刘进军、杨旭、卓放等；
南京航空航天大学：严仰光、阮新波教授等
国际上
美国弗吉尼亚大学的国家电力电子系统研究中心，Fred.Lee李泽元教授
美国的科罗那多大学，特别是在电力电子的数字控制方向，著名电力电子学科教材Fundamental of power electronics的作者Erickson就是这里的领军人物。
北卡罗来纳州州立大学的FREEDM研究中心也在对电力电子器件进行研究，这儿有国内第一个IGBT的制造者Alex. Huang教授和IGBT的发明者Jay Baliga。
电力电子与电力传动学科研究范围：
电力电子器件的原理、制造及其应用技术；电力电子电路、装置、系统及其仿真与计算机辅助设计；电力电子系统故障诊断及可靠性；电力传动及其自动控制系统；电力牵引；电磁测量技术与装置；先进控制技术在电力电子装置中的应用；电力电子技术在电力系统中的应用；电能变换与控制；谐波抑制与无功补偿。
研究方向:
1 ）谐波抑制与无功补偿
2 ）电力电子电路仿真与设计
3 ）计算机控制系统
4 ）电气系统智能控制技术
5 ）现代控制理论及其在电气传动中的应用
6 ）系统故障诊断技术及应用
7 ）现代交、直流电机调速技术
8 ）功率变换技术的研究
电力电子技术目前有几个研究方向：高频开关电源技术：所有的信息系统与通信设备都需要使用
开关电源，小到各种便携数码产品，还有现在时兴的各种平板电视，大到服务器系统、通信基站机房、及种种航空设施等；电力电子技术在电力系统中的应用：如各种谐波补偿、有源滤波装置等，还有不断发展的不间断电源设备（UPS），电动汽车的驱动与控制系统，电机的节能驱动方面如各种变频器（包括变频空调），在当前能源短缺的状况下，太阳能、风能及各种再生能源的应用，电力电子技术是最关键的技术要素。
可以先从一些专业期刊了解一下这门学科，国内的有《中国电机工程学报》、《电工技术学报》、《电力电子技术》及《电工技术杂志》，国际上的有IEEE的《Power Electronics》、会议有IEEE的APEC、PESC、ECCE等
浙江大学：
主要研究方向
功率变换技术及应用；电力电子系统技术；电力电子器件、组件、模块及其应用相关技术。
主干课程
现代电力电子与电力传动技术；电力电子数字控制与离散信号处理技术；现代电力电子器件；电力电子系统电磁兼容设计基础；电力电子电路和系统的计算机仿真；现代功率无源元件应用技术；特种电源专论等。
指导教师
教授：汪槱生(院士,博导)，盛况（博导），钱照明(博导)，徐德鸿(博导)，何湘宁(博导)，吕征宇(博导)，马伟民(博导)，彭方正(博导)，陈国柱(博导),陈辉明，马皓（博导）
副教授：邓焰，石健将，张军明，胡长生，王正仕，陈敏（大），杜丽，姚文熙，李武华，吴新科，陈恒林
高级工程师：汤建新，俞勇祥
山东理工大学附表1：研究方向简介
序号研究方向每个研究方向对应的知识域
01 风力发电及其并网控
制
研究新型开关磁阻风力发电机，以期提高发电机功率密度和
运行效率，改善发电机调速和控制性能；研究基于全控电力
电子器件的风力发电机组控制器和并网变流器，以期提高风
能利用效率，减小或避免风电对公共电网的负面影响。
本方
向涉及电机学、电力电子学、电力系统、控制理论、数字信
号处理、计算机仿真、计算机控制等多个相关学科知识。
02 现代电机控制技术以自动控制理论为基础，电力电子能量变换为核心，以微型计算机和数字信号处理器为主要控制手段的多学科高技术领域，该方向涉及：高性能异步电动机变频调速系统的研究；永磁同步电动机、开关磁阻电动机、步进电动机等控制系统研究；现代控制理论和控制技术在交直流传动控制系统中的应用研究；电力电子系统计算机仿真研究等。
03 电能质量分析与控制基于快速傅立叶变换、小波分析、Prony算法、数学形态学等数学手段，运用数字信号处理、网络通信、计算机控制等现代技术，对各种静、动态电能质量问题进行分析、检测与辨识；将电力电子、电力系统自动化、控制理论、计算机控制、储能等诸多技术交叉结合，实现对电能质量问题的实时补偿与控制。
本方向涉及电力电子、电力系统、数字信号处
理、控制理论、计算机控制等多个相关学科知识。
04 感应电炉控制与节能
技术
随着我国环境保护标准的提高，在冶金和铸造行业感应电炉
的应用日益增多，感应电炉主要涉及电力电子学、电机学、
检测技术、材料科学、数模电技术和计算机控制技术。
包括：
中频电源的设计原理及可靠性感应电炉的节能原理和应用，
感应电炉系统的运行控制与安全保护，感应电炉炉衬和炉衬
安全监测，感应电炉系统的综合设计等。
05 电力电子变流技术电力电子变流装置已广泛用于家居、办公、工业、国防、交通运输、科学实验等领域，其涉及电力电子器件应用、变流电路拓扑、脉宽调制方法、系统控制策略、系统建模与仿真、计算机控制等多学科知识。
本方向着力研究：新型脉宽调制方法、高功率因数整流、高性能直流变换、新型逆变技术及特种电源等方面的基础理论与关键技术。
山东大学
1.电力电子技术及其应用开展电力电子技术在各种应用领域的技术研究, 探索和推进电力电子技术向新技术的转化。
2．现代运动控制开展现代交直流传动、同步传动和精密伺服系统的理论与应用研究。
3．特种、逆变电源研究研究电力电子技术在各类电源中的应用, 探讨和开发新型现代电源装置和设备。
4．控制理论在电力电子与电力传动中的应用开展自适应控制、预测控制、鲁棒控制、人工智能控制等现代控制理论及智能控制理论在电力电子与电力传动系统中的应用
5．电力电子与安全技术开展电力电子与火灾安全、电气安全科学等领域的研究。