电气工程概论+第四章+电力电子技术与电力传动
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、
第4章电力电子技术
O
三相桥式整流电路
ia
O
u
u
ab
ac
器件 AC/DC
t
t
t
t
ud1 ,ud2 ub' ua uc' ub ua' uc ub'
O t1 up 60° O
36°0
器件 AC/DC
t
t
双反星型整流电路
a1
Ⅰ 0° 1
ia1 ua1b1
iA A ▲
*
c1
b1
1
▲
*
a2
C
B▲ c2
iab2
变流技术（电力电子器件应 用技术）——电力电子技 术的核心
{ 变流
技术
电力电子器件构成 各种电力变换电路 对这些电路进行 控制的技术
电力
直流
交流
电力变换
交流变直流 直流变交流
直流变直流 交流变交流
4、研究任务
(1)电力电子器件的工作原理与应用 转 (2)电力电子电路的电能变换原理 转 (3)控制技术以及电力电子装置的开发
o
t
L
1
+C
L
2
E
V
VD
u
o
R
a)
CUK斩波电路
i1 L1
+ C1
VD
uC1 i2
V
L2
+
C2
器件 DC/DC
uo
a)
SEPIC斩波电路
V i1
C1 + L2
E
L1
VD
C2
uo R
ZETA斩波电路
u1
u1
O uo
O io
电气工程概论(3)
因此，电力电子技术已成为改造传统产业 （电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等）， 发展高新技术（航天、激光、通信、高速铁路 技术。机器人、磁悬浮等）和高效利用能源 （节能、减少环境污染等）的一项基础性的关 键技术；同时也是我国在本世纪实行科技创新、 增强我国综合实力的重要技术手段之一。
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。首先，微电子技术革命性 的进展，尤其是集成电路和微处理器的迅速发 展，电力电子系统控制器的智能、复杂等功能 得以实现；半导体的制造技术也大幅度提高了 功率半导体器件的容量及开关频率，拓扑技术 随之得以迅速发展。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。
功率半导体器件的功能
图3Hale Waihona Puke 1 电力电子装置示意图一、概述
图3－1为电力电子装置的示意图，功率输人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人端。
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，要想学好电力电子技 术，就必须掌握功率半导体器件的特性和使用 方法。这里主要介绍几种典型电力电子器件， 包括不可控的功率二极管、半控的晶闸管和绝 缘栅极双极型晶体管（IGBT）等。
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。 PIC器件不仅方便了使用，而且能降低系 统成本、减轻重量、缩小体积，几乎能把寄生 电感值减小到零，大大提高了电力电子变换和 控制的可靠性。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。
电力电子与电力传动技术的未来发展趋势
电力电子与电力传动技术的未来发展趋势摘要：电力电子技术和电力传动技术在现代社会中扮演着至关重要的角色，它们影响着能源管理、交通系统、工业生产和环境保护等多个领域。
本文旨在探讨电力电子与电力传动技术的当前状态、应用领域，以及未来的发展趋势和面临的挑战。
未来的发展趋势包括先进的电力电子器件、智能控制、高效能源管理、可持续能源集成、新兴技术和创新。
同时，电力电子与电力传动技术也将面临集成、安全性、环境可持续性等挑战。
通过深入了解这些趋势和挑战，我们可以更好地准备迎接电力电子与电力传动技术的未来。
关键词：电力电子技术，电力传动技术，未来发展趋势，智能控制，可持续能源，新兴技术电力电子技术和电力传动技术已成为现代社会中不可或缺的一部分。
它们在提高能源效率、降低碳排放、推动工业自动化和改善生活质量方面发挥着重要作用。
随着科技的不断进步和社会需求的不断演变，电力电子与电力传动技术也在不断发展和演变。
本文将分析当前电力电子技术和电力传动技术的现状和应用领域，重点关注未来的发展趋势和可能面临的挑战，以及这些技术在推动可持续能源和新兴技术方面的潜力。
关键词：1. 电力电子技术的当前状态和应用领域1.1 电力电子器件和拓扑结构电力电子技术目前正处于迅猛发展的时期，其中电力电子器件和拓扑结构的不断创新起着关键作用。
电力电子器件如MOSFETs、IGBTs、SiC和GaN器件的性能不断改善，其功率密度和效率得到显著提升。
这些先进的器件具有更高的开关速度、更低的导通电阻和更高的耐压能力，使得电力电子系统能够在更广泛的电压和电流范围内工作。
此外，不断创新的拓扑结构和拓扑优化方法使电力电子转换系统的设计更加灵活，以满足不同应用领域的需求。
例如，多电平逆变器和拓扑全桥变换器等拓扑结构提供了更高的输出电压质量和功率因数校正性能，这对于可再生能源转换和电力传输具有重要意义[1]。
1.2 控制策略和调制技术电力电子技术的进展不仅体现在硬件方面，还包括先进的控制策略和调制技术。
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
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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
21
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）
考研电力电子与电传动知识点串讲
考研电力电子与电传动知识点串讲电力电子与电传动是电气工程及其自动化专业考研中的重要知识点之一。
本文将对电力电子与电传动的相关知识进行串讲，帮助考生全面了解和掌握该领域的核心概念和关键技术。
一、电力电子原理与应用1. 电力电子概述电力电子是将电力系统与电子技术相结合的学科，研究如何将电力进行有效地变换、调节和控制，实现能量转换和电力控制等功能。
2. 半导体器件半导体器件是电力电子领域中最基本的元件，如二极管、晶闸管、功率场效应管等。
它们具有开关特性，可实现电能的高效转换和电流/电压的调节控制。
3. 直流电力系统直流电力系统是电力电子应用中的重要形式之一。
它具有稳定、可控性强的特点，广泛应用于电网调节、电动机启动等场合。
4. 交流电力系统交流电力系统是电力电子应用的另一个重要形式。
通过电力电子器件，可以实现交流电的频率变换、电压调节、有功/无功控制等功能，进而实现对电力系统的优化调控。
二、电力电子变换技术1. 电力电子变换器电力电子变换器是电力电子技术的核心设备，广泛应用于交流/直流变换、电能调节、电力质量控制等领域。
常见的变换器包括整流器、逆变器、交流调压器等。
2. PWM调制技术脉宽调制（PWM）技术是电力电子变换中常用的控制方法。
通过改变脉冲的宽度，可以调节输出电压/电流的大小，实现精确的电力控制。
3. 多电平变换技术多电平变换技术是提高变换器输出波形质量的重要手段。
通过增加电平数目，可以减小谐波含量，提高输出电压/电流的纹波性能。
三、电力传动技术1. 电机基础知识电力传动技术中的核心是电机。
了解电机的基本工作原理、类型和特性对于理解电力传动系统至关重要。
2. 电动机调速技术电动机调速是电力传动技术的关键问题。
常见的调速方法包括电压调制、频率调整、电流矢量控制等。
3. 电力传动系统电力传动系统由电机、变频器、机械传动装置等组成，主要用于控制和实现机械设备的运动控制。
掌握电力传动系统的设计原理和调试方法对于工程应用至关重要。
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电气工程概论
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工艺调速传动指生产工艺要求必须调速的传 动，主要用于轧机、造纸、化工等场合。 节能调速传动是指一般采用风机、泵、压缩 机等调节流量和压力的场合。 电力牵引调速传动则指用地电气铁道、地铁， 各种电动车，工矿牵引、矿井卷扬及电梯等 场合实现运输、牵引的传动。 精密、特种调速传动是指用于现代数控机床、 机器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求 特别高的传动。
电气工程概论
35
4.7.1 电力传动概述
电机工作时，根据其控制的对象不同，有的 需要在一定宽范围内调速，有的需要一定负载变 化范围内稳速，有的需要以一定的要求加速和减 速等。总之，电机传动需要满足控制对象机械运 动的出力和速度要求。电力传动就是利用电力电 子变流装置对电机的转矩和转速两个主要参数进 行调节控制，以满足控制对象负载的特性要求。
电气工程概论 42
4.7.6 电力传动主要应用领域
信息家电和IT业。 机械加工设备。 起重机与输送机。 风机与水泵。 电梯。 矿山机械。 冶金机械。 船舶。 轨道交通。
电气工程概论 43
思考题
4-1为什么说晶闸管的诞生开启了电力电子技术的新纪元？ 4-2 电力电子技术与那些技术的关系最为密切？ 4-3 电力电子技术的主要内容是什么？ 4-4 常见的功率半导体器件及主要特点是什么？ 4-5 为什么同一类电力电子开关器件也会有不同的外观？ 4-6 在电力电子技术中，电能变换的输入输出可以分为哪四种 形式？ 4-7 磁场定向控制系统的特点是什么？ 4-8 试述今后电力电子技术的发展方向。 4-9 为什么近20年来交流传动才开始取代直流传动？ 4-10 你身边还有哪些设备采用了电力电子技术？
简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得 到的电源变换为所需要的电源的一门科学应用技术，即电源 变换技术。
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。
电气工程概论 3
电力电子技术的基本工作框图：
电气工程概论 34
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。
交流电机及其矢量控制调速变频器
电气工程概论 28
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
电气工程概论 32
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。 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。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。 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。
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4. 电力电子技术中的储能元 件
电力电子技术中的储能元件有 磁性元件和电容器两类。 电力电子技术中的磁性材料的 种类越来越多，如软磁合金 （铁镍合金、铁铝合金、铁钴 钒合金等）、铁氧体（锰锌铁 氧体、镁锌铁氧体等）、新型 非晶和微晶软磁材料（铁基非 晶、钴基非晶等）。 电容器是与磁性元件对偶的一 种储能和滤波元件。
常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、GTO、 VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等。
二极管及其符号
电气工程概论 12
晶闸管及其符号
电气工程概论 13
GTO及其符号
GTO—门极可关断晶闸管
电气工程概论 14
VDMOS及其符号
VDMOS—垂直双扩散金属氧化物场效应管
电气工程概论 15
a
b
直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器； 直流-交流变换器（DC/AC）——逆变器； 交流-交流变换器（AC/AC）——交流调压器、周波变换器；
一个性能良好的变换装置设计，大致应包括功能 指标设计、电磁兼容设计、系统散热设计和结构 亲和性设计等几个方面。
电气工程概论 19
最简单的半波整流电路
在直流电压源供电的直流传动中，通过PWM技术 获得可变的直流电压幅值； 在直流电压源供电的交流传动中，通过PWM技术 获得可变的交流电压幅值、频率和相位。 PWM电压中除了要求的直流电压或交流正弦基波 电压以外还含有丰富的谐波，电压的变化率即 dv/dt很大。电压型逆变器给电机供电还存在电机 中性点产生共模电压,在电机轴承上产生电晕放电， 腐蚀轴承。
电气工程概论
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最简单的单相逆变器原理
直 流 E 电 源 1 2
I
V
3
4
V基波（正弦交流） Nhomakorabeat
电气工程概论
单相PWM逆变电路
电气工程概论
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3. 控制与调节
电力电子的所有应用 都包含有控制与调 节问题。如： 静态电力变换与控制； 静态电力供应；
运动控制等
计算机用于电力电子技术的控制与调节
电气工程概论
电气工程概论 24
印刷板上的平面变压器
超级电容器
超级电容器又叫双电层电容器 (Electrical Double-Layer Capacitor) 是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使 用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
电气工程概论
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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 热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题。
电气工程概论
4
容量为12kV/1.5kA的晶闸管
电气工程概论 5
电力电子可控开关元件
电气工程概论 6
安装在挪威的±160Mvar、42kV的无功发生器
电气工程概论 7
电力电子技术发展简史
电气工程概论
8
老式整流器
汞弧整流管
硒整流器（硒堆）
电气工程概论
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4.2 电力电子技术的特点
它是从电气工程中3大学科领域（电 力、控制、电子）发展起来的一门新 型交叉学科。 电力电子技术特点： ① 弱电控制强电的学科交叉技术； 所涉及的学科广泛，包括：基础 理论（固体物理、电磁学、电路 理论）、专业理论（电力系统、 电子学、传热学、系统与控制、 电机学及电力传动、通信理论、 信号处理、微电子技术）以及专 门技术（电磁测量、计算机仿真、 CAD）等。 ② 传送能量的模拟-数字-模拟转换技术； ③ 多学科知识的综合设计技术。
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与发展简史
电气工程概论
2
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.
电气工程概论
采用SVC、DVR和APF的电能质量 控制示意图
29
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；
电气工程概论 38
DC-DC直流斩波主电路
(a)
(b)
电气工程概论
39
4.7.3 交流电机传动
目前交流电机最为普遍的调速方法，无论是同步电机 还是异步电机，都是通过调节定子电压(电流)的频率fs来 实现。
电气工程概论
40
4.7.4 特殊电机传动
电气工程概论
41
4.7.5 脉宽调制技术对电机传动的影响
电气工程概论 10
4.3 电力电子技术的研究内容
电力电子技术的研究内容： ① 电力半导体器件； ② 变换器电路结构与设计；
③ 控制与调节；
④ 电力电子技术中的储能元件； ⑤ 电子电路的封装与制造； ⑥ 电磁干扰和电磁兼容； ⑦ 电机控制；
⑧ 电力质量控制。
电气工程概论 11
1. 电力半导体器件—电力电子技术的核心
电气工程概论
30
4.6 电力电子技术的发展方向
集成化 模块化 智能化 高频化 不断提高装置效率 不断拓展电压应用范围
电气工程概论
31
4.7 电力传动概况
电机是电气技术所涉及的重要对象之一。电能的生 产是由发电机完成的；电动机则可拖动生产机械和 各种负载运转，从而实现生产的自动化和家用电器 及办公设备的智能化。 电动机分为直流电机和交流电机两种。在电机的发 展史上，直流电机发明较早，它的电源是电池。后 来才出现了交流电机。 直流电动机具有调速范围广、易于平滑调速；起动、 制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等优点。 但直流电机有一个突出的缺点——换流问题。它限 制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。