【正文】 教 案 2020 ～ 2020 學(xué)年第 二 學(xué)期 院 ( 系、部 ) 電子信息與電氣工程系 教 研 室 自 動(dòng) 化 主 講 教 師 雷 慧 杰 課 程 名 稱 電力電子技術(shù) 專 業(yè) 班 級(jí) 04 自動(dòng)化 （本科） 1 課程名稱 電力電子技術(shù) 總計(jì)： 76 學(xué)時(shí) 講課： 64 學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)： 12 學(xué)時(shí) 上機(jī)： 學(xué)時(shí) 課程類別 專業(yè)必修課 學(xué)分 4． 0 授課對(duì)象 層次： 本科 專業(yè)年級(jí)班： 04 級(jí) 自動(dòng)化 總?cè)藬?shù)： 119 任課教師 雷慧杰 職 稱 助教 學(xué)歷 /學(xué)位 本科 學(xué)士 課程教學(xué)目的與基本要求 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得電能高效率變換與控制方面的知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并且具有一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑸楹罄m(xù)課程的學(xué)習(xí)及以后的工作打下基礎(chǔ)。 本課程的任務(wù)是使學(xué)生獲得利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的基本理論與概念。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生熟悉和掌握可控整流、有源逆變、變頻、斬波、無(wú)源逆變等電力電子電路的工作原理 、特點(diǎn)和基本應(yīng)用，正確選用元件與觸發(fā)電路。 為《 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù) 》等后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。 課程教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：可控整流、有源逆變、變頻、斬波、無(wú)源逆變等電力電子電路的工作原理、特點(diǎn)和基本應(yīng)用，正確選用元件與觸發(fā)電路。 難點(diǎn)： 單相全控橋式整流電路和三相全控橋式整流電路的原理分析與計(jì)算、各種負(fù)載對(duì)整流電路工作情況的影響； 三相可控整流電路有源逆變工作狀態(tài)的分析計(jì)算； 主要教學(xué)方法與手段 啟發(fā)式教學(xué) 多媒體課件 ppt 輔助板書 用多媒體展 示 電力電子技術(shù)應(yīng)用的圖片， 教師 對(duì)照?qǐng)D片進(jìn)行 講解； 教材和主要參考 資料 教材： 王兆安，黃俊 .《電力電子技術(shù)》，北京，機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 參考資料： 莫正康 .《半導(dǎo)體變流技術(shù)》，北京，機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 周淵深 主編 .《電力電子技術(shù)與 MATLAB 仿真》 .北京： 中國(guó)電力 出版社， 2020 2 教學(xué)內(nèi)容： 緒 論 什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù) ——使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。 電力電子技術(shù)變換 的 “電力 ”，可大到數(shù)百 MW 甚至 GW，也可小到數(shù) W 甚至 mW級(jí)。 信息電子技術(shù) ——信息處理 電力電子技術(shù) ——電力變換 電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。 兩大分支 電力電子器件制造技術(shù) 電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。 變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)） 用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對(duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。 電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。 授課時(shí)間 第 1 次課，第 1 周星期 一 第 4 節(jié) 課時(shí) 2 授 課 方式 理論課 √ 討論課□ 習(xí)題課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 上機(jī)課□ 技能課□ 其他□ 授課 題目 緒論 目的與要求 了解電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容； 掌握 電力電子器件的分 類：不可控型、半控型、全控型； 了解 3 種換流方式，熟悉電能的 4 種變換形式； 了解變流電路的 3 種控制方式； 了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用。 重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：電力電子器件的分類，電能的 4 種變換形式。 難點(diǎn)：無(wú)明顯難點(diǎn) 方法及手段 用多媒體展 示 電力電子技術(shù)應(yīng)用的圖片， 并 對(duì)照?qǐng)D片進(jìn)行 講解； 3 電力變換四大類 ： 交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 ?電力電子學(xué) (Power Electronics)名稱 60年代出現(xiàn)。 ?1974年，美國(guó)的 倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。 1 與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系 都分為器件和應(yīng)用兩大分支。 器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)。 應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同。 信息電子電路的器件可工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件一般只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 二者同根同源。 與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)系 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程 中 高壓直流輸電 、 靜止無(wú)功補(bǔ)償 、 電力機(jī)車牽引 、交直流電力傳、 電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源 。 國(guó)內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個(gè)分支。 電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支。 與控制理論（自動(dòng)化技術(shù)）的關(guān)系 控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。 電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶。 電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。 地位和未來(lái) 電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。 計(jì)算機(jī) ： 人腦 電力電子技術(shù) ： 消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng) 電力電子＋運(yùn)動(dòng)控制 ： 肌肉和四肢 電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù) ， 是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù)， 能源是人類社會(huì)的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源， 因此，電力電子技術(shù)將青春永駐。 一門嶄新的技術(shù)， 21 世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展。 2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般工業(yè)： 交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè) 。 4 交通運(yùn)輸： 電氣化鐵道、電動(dòng)汽車、航空、航海 。 電力系統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無(wú)功補(bǔ)償 。 電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動(dòng)力 。 家用電器 ： “節(jié)能燈 ”、變頻空調(diào) 。 其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置 。 3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。 電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的電源，因此可以說(shuō)，電力電子技術(shù)研究的也就是 電源技術(shù) 。 電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是 節(jié)能技術(shù) 。 4 教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介和使用說(shuō)明 每章的最后有小結(jié)，對(duì)全章的要點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn) 行總結(jié)。 教材正文后附有 “教學(xué)實(shí)驗(yàn) ”部分，精選了 6 個(gè)最基本的，有較高實(shí)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn) 。 書末附有 “術(shù)語(yǔ)索引 ”。 課時(shí)分配：課內(nèi)教學(xué)學(xué)時(shí)為 76 學(xué)時(shí)（包含實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn) 2 學(xué)時(shí)）。 課后小結(jié)：（在下次課開(kāi)始的 10 分鐘內(nèi)進(jìn)行） 說(shuō)明電力電子器件的分類。 解釋 3 種換流方式和電能的 4 種變換。 說(shuō)明變流電路的 3 種控制方式。 強(qiáng)調(diào)課程學(xué)習(xí)要求和方法。 5 教學(xué)內(nèi)容： 上次課主要 內(nèi)容小結(jié)；（教師 講解小結(jié)，參插課堂提問(wèn)（ 10分鐘左右）） 電力電子器件的概念和特征 ?主電路 （ Main Power Circuit） ——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 ?電力電子器件 （ Power Electronic Device） ——可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 ?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類。 ?兩類中，自 20世紀(jì) 50年代以來(lái)，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器 （ Mercury Arc Rectifier）、閘流管（ Thyratron）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件。 ?電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是 硅 。 ?同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征： （ 1） 處理電功率的大小，即承受電壓和電流 的能力，是最重要的參數(shù)。 ?其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí) , 大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件 （ 2） 電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 授課時(shí)間 第 2 次課，第 1 周星期 三 第 4 節(jié) 課時(shí) 2 授課方式 理論課 √ 討論課□ 習(xí)題課□ 實(shí) 驗(yàn)課□ 上機(jī)課□ 技能課□其他□ 授課題目 電力電子技術(shù)概述 不可控器件電力二極管 目的與要求 掌握 電力電子器件的概念和特征 、熟悉 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 、了解 電力電子器件的分類，掌握電力二極管的工作特性。 重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。 難點(diǎn)：基本特性及電力電子器件的兩個(gè)基本要求。 方法及手段 用多媒體展 示 功率二極管的結(jié)構(gòu) 、 伏安特性 ， 進(jìn)行講解分析； 以小結(jié)的形式對(duì) 功率二極管的 選擇 進(jìn)行講解分析； 6 ?導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于 短路 ，管壓降接近于零，而電流由外電路決定。 ?阻 斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于 斷路 ，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定。 ?電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（也就是開(kāi)關(guān)特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題。 ?作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)往往用理想開(kāi)關(guān)來(lái)代替。 （ 3） 實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。 ?在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的 驅(qū)動(dòng)電路 。 （ 4） 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安 裝散熱器。 ? 導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗 ? 阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)，形成斷態(tài)損耗。 ? 在器件開(kāi)通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開(kāi)關(guān)損耗。 ? 對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一。 ? 通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 ? 器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子系統(tǒng) ：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件 為核心 的主電路組成。 ?控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能 。 ?有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。 ?主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離， 而通過(guò)其它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào)。 ?由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V 1V 2 7 些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。 ?器件一般有三個(gè)端子（或稱極或管角），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過(guò)在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來(lái)控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。 電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類： （ 1） 半控型器件 ——通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 ?晶閘管（ Thyristor）及其大部分派生器件 ?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 （ 2） 全控型器件 ——通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。 ?絕緣柵雙極晶體管（ InsulatedGate Bipolar Transistor——IGBT） ?電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ Power MOSFET，簡(jiǎn)稱為電力 MOSFET） ?門極可 關(guān)斷晶閘管（ GateTurnOff Thyristor — GTO） （ 3） 不可控器件 ——不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷， 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。 ?電力二極管 （ Power Diode） ? 只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受