电力电子技术教学大纲.doc

江西应用工程职业学院高等职业技术教育课程教 学 大 纲课程名称：电力电子技术专 业：电气工程科 类：理工科编 拟 者：殷永生职 称：助 教单 位：电气系日 期：2007年9月江 西 应 用 工 程 职 业 学 院电力电子技术教学大纲 一、课程的性质与任务本课程是电气技术专业的一门专业基础课。电力电子技术是电力电子学的一个分支，是采用半导体器件实现对电能的控制与变换的科学，是介于电气三大领域电力、电子和控制之间的交叉学科，在工业、交通、电力等领域有广泛的应用。是电类专业学生必须掌握的专业技术基础知识。本课程的任务是通过对本课程的学习，使学生熟悉电力电子技术的基本理论，基本知识和基本电路，熟悉典型电力半导体器件的工作原理、外特性和功能，掌握电力电子电路的分析方法，并了解其在工程技术领域中的应用。为学习自动控制系统及其它相关专业课程打下一定的基础。本课程学习之前，应具备高等数学、电路、电子技术、电机与电力拖动等方面的相关知识。二、教学基本要求1、 掌握器件的原理和特性，着重掌握各种变流电路的组成和工作原理；不同负载对电路工作特性的影响及主电路的参数计算与元件选择；熟悉典型触发、驱动和缓冲保护电路的组成、原理和特点。2、 掌握电力电子电路的基本分析方法波形分析方法，加深对电路原理的理解并进行分析计算。在波形分析的基础上不同电路的各种数量关系。进而进行参数计算和元件的选择3、 要加强实践，通过实验提高动手能力；从实际应用的角度去分析和掌握各种典型电路。三、课程内容 第一章 电力电子变换和控制技术导论 了解现代电力电子学科的形成，明了电力电子变换和控制的技术经济意义。本章需重点掌握开关型电力电子变换电路的基本原理、控制方法和两类开关型电力电子变换器的基本特性，电力电子变换电源和电力电子补偿控制器两类应用。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 第二章 半导体电力开关器件 本章需重点掌握电力电子变换电路常用的半导体电力开关器件的基本工作原理和外特性及使用中的一些问题。它们是半导体电力二极管D、双极结型电力三极管BJT(半导体电力三极管)、晶闸管（Thyristor）或SRC、可关断晶闸管GTO、MOS控制晶闸管MCT(含集成门极换流晶闸管IGCT)及静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITH、由多个半导体所组成的半导体电力开关模块和功率集成电路PIC。.2-1 电力二极管2-2 双极结型电力三极管BJT2-3 晶闸管及其派生器件2-4 门极可关断晶闸管GTO2-5 电力场效应晶体管P-MOSFET2-6 绝缘门极双极型晶体管IGBT2-7 MOS控制晶闸管MCT和集成门极换流晶闸管IGCT2-8 静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITH2-9 半导体电力开关模块和功率集成电路PIC第三章 直流-直流变换器 本章需重点掌握四类基本的直流-直流的电压变换器：降压变换器（BUCK变换器）、升压变换器（BOOST变换器）、降压升压变换器（BUCK-BOOST变换器）、升压降压变换器（BOOST-BUCK变换。内容涉及电路结构，升、降压原理，电流连续和电流断流工作情况的分析，变压比和输出电压外特性。两象限，四象限直流-直流变换器和多相，多重直流-直流变换器两类复合变换器的基本工作原理。带隔离变压器的直流-直流变换器。3-1 直流直流降压变换器（BUCK变换器）3-2 直流直流升压变换器（BOOST变换器）3-3 直流降压升压变换器（BUCK-BOOST变换器）3-4 直流升压降压变换器（BOOST-BUCK变换或CUK变换器）3-5 二象限，四象限直流-直流变换器3-6 多相，多重直流-直流变换器3-7 带隔离变压器的直流-直流变换器第四章 直流-交流变换器 直流-交流功率变换称为逆变。本章需重点掌握直流-交流功率变换的基本原理，方波运行模式下电压型和电流型逆变器的特性。PWM控制输出电压大小和波形的基本原理，三相逆变器的空间矢量PWM控制，多电压逆变器、大容量逆变器的复合结构以及逆变器的基本应用。4-1 逆变器的类型和性能指标4-2 电压型单相方波逆变电路工作原理4-3 电压型单相逆变器输出和波形控制4-4 三相逆变器工作原理4-5 三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制4-6 三相逆变器电压空间矢 量PWM控制4-7 多电压逆变器4-8 大容量逆变器的复合结构第五章 交流-直流变换器 交流-直流变换又称为整流，它的作用是将交流电能变换成直流电能供给直流用电设备，本章需重点掌握常用的单相、三相相控整流电路，以及大容量相控整流的复合结构，它们的工作原理、不同性质负载时整流电路电压和电流的波形及数量关系，各种整流电路的特定和应用范围。采用二极管作开关器件只能是不控整流，采用半控型开关晶闸管可实现相控整流。在学习整流电路的工作原理时，要根据电路中的开关器件通、断状态和交流电源电压波形和负载的性质，分析各元件的电压和电流波形，在此基础上掌握整流电压与移相控制角的关系。在学习过程中要注意掌握波形分析方法。5-1 整流器的类型和性能指标5-2 不可控整流5-3 单相桥式相控整流电路5-4 三相半波相控整流电路5-5 带平衡电抗器的三相双半波（双反星形）相控整流电路5-6 三相全控桥式6脉冲和12脉冲整流电路5-7 整流电路中交流电路电感对整流特性的影响5-8 相控整流电压的谐波分析5-9 相控有源逆变电路5-10 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5-11 含有源功率因数校正环节的单相整流器5-12 三相高频PWM整流第六章 交流交流变换器 本章需重点掌握采用晶闸管作开关器件的交流交流变换器。交流交流变换器可分为两大类：一类是频率不变仅改变电压大小的交流交流电压变换器，也被称为交流斩波（降压）调压器，或交流电压控制器；另一类是直接将一定频率的交流电变换为较低频率交流电的相控直接变频器，在直接变频的同时也可实现电压变换，直接实现降频降压变换。交流交流电压变换器采用廉价的晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向关断晶闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用类似于第五章中的移相控制，既改变控制角A（延迟触发角A）调控变换器输出电压的大小。除采用相控原理改变输出电压外，晶闸管开关器件也可采用整周波的通、断控制方法，例如以N个电源周波为一个大周期，改变导通周波数与阻断周波数的比值来改变变换在整个大周期内输出的平均功率。 采用晶闸管作开关器件的相控型交流交流直接变频器，依靠交流电源正弦波电压瞬时值的变负及反向来关断已处于导通状态的晶闸管，实现换相（换流）。这种晶闸管直接变频器只能降频、降压，通常用作大功率高压交流电动机变速传动系统所需的较低频率的变频变压电源。 流交流电压控制器的电路结构有单相电压控制器和三相电压控制器两种。单相电压控制器常用于小功率单相电动机控制、照明和电加热控制；三相交流交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动器使用，其输出电压在异步电动机的启动、升速过程中逐渐上升，控制异步电动机的启动电流不超过允许值。如果不用晶闸管而采用自关断器件为电路开关，通过高频PWM控制，既可调控输出交流电压的大小，又能减小输出电压谐波和输入电流谐波。由于成本价格太高，现在一般不采用这种ACACPWM电压变换器。采用自关断器件的矩阵式ACAC直接变频器今后有可能得到广泛应用。6-1 单相交流电压控制器6-2 三相交流电压控制器6-3 变压器抽头控制器6-4 晶闸管相控交流交流直接变压器6-5 矩阵式交流-交流变频器 第七章 辅助元器件和系统 本章需重点掌握电力电子变换器中的辅助元器件和系统。实际的电力电子变换器是一个由多个子系统和很多元器件构成的复杂系统，其中很多部分并不在变换器的电路图中表示出，通常变换器电路图仅画出变换器主电路和控制电路框图。现代电力电子变换器中的辅助元器件和系统包括：（1） 半导体电力开关管器件的驱动器。驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后送出驱动信号给开关器件，控制开关器件的通、断状态。（2） 过流、过压保护系统。检测负载或开关器件的电流、电压，保护变换器中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。（3） 缓冲器。在开通和关断过程中过压和过流，减小dv / dt、di / dt，减小开关损耗。（4） 电感（电抗器）和变压器。变压器变换主电路或控制系统中的电压，或用以实现原副方的电气隔离要求。电感则用于滤波、平波、均流、能量转换及减小电流变化率。（5） 滤波器。提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量，作为电力变换器的一部分，滤波器常在变换器电路图中标出。（6） 散热系统。散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热应力，降低开关器件结温。（7） 控制系统。实现变换器的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。 通过本章的学习读者应清楚辅助元器件和系统的基本属性，以及它们对电力电子变换器工作的影响。7-1 驱动器7-2 电流保护和过电压保护7-3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区7-4 缓冲器7-5 电感（电抗器）和变压器7-6 滤波器7-7 散热系统7-8 控制系统第八章 软开关变换器(选讲4学时)半导体电力开关器件的导通和阻断状态之间的转换是各类电力电子变换技术和控制技术的基本要求。如果开关器件在其端电压不为零时开通电路则称为硬开通，如果开关器件在其承载电流不为零时关断电路则称为硬关断。硬开通、硬关断统称为硬开关。通态时开关器件承载负载电流但其通态压降小故通态功耗不大，断态时开关器件两端阻断的电压高但其漏电流小故断态功耗很小。但在硬开关过程中，开关器件在较高电压下承载有较大电流，故产生很大的开关损耗。电力电子变换器开关频率的高频化能使气体积更小、重量更轻、输入输出波形更易于滤波，但硬开关过程却使提高开关频率面临一系列难题：开关损耗随开关频率的提高成正比增加，不仅降低了变换器的效率，而且严重的发热生温可能使开关器件的寿命急剧缩短，此外还会产生严重的电磁干扰噪声，难与其它敏感电子设备电磁兼容。如果在电力电子变换电路中采取一些措施，如改变电路结构和控制策略也能使电力电子变换和控制高频化所引起的问题大为缓解。本章需重点掌握软开关的基本特性和类型，串联谐振式和并联谐振式逆变器，准谐振零电流关断、零电压开通变换器，零电流关断、零电压开通pwm变换器，直流环节谐振式逆変器的工作原理。8-1 软开关的基本特性和类型8-2 电压型串联谐振式逆変器8-3 电流型并联谐振式逆变器8-4 准谐振DC/DC变换器8-5 零电流关断(ZCS)PWM DC/DC变换器8-6 零电流开通(ZVS)PWM DC/DC变换器8-7 直流环节并联谐振型逆变器 PRDLI第九章 多级开关形变压、变频电源(选讲)第3至第6章介绍了由一级开关电路所构成的直流-直流、直流-交流、交流-直流、交流-交流四类基本电力电子变换电路，这是四类最基本的电压或频率变换电路，由此可以获得始终基本的开关型变压或变频电源。实际应用中有时将两个甚至三个基本变换电路组合，构成多级开关型变压、变频电源，在某些应用中可以获得更好的技术特性和经济效益，或满足特定的技术要求。9-1 AC/DC-DC/AC变压、变频(VVVF)电源9-2 AC/DC-DC/AC恒压、恒频不间断电源CVCF-UPS9-3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统9-4 具有中间交流环节（直流-交流-直流变换）的硬开关直流电源9-5 移相全桥零电压开关DC/AC-AC/DC直流电源9-6 交流电源供电的AC/DC-DC/AC-AC/DC三极变换直流电源第十章 电力电子开关型电力补偿、控制器(选讲) 开关型电力变换电路除可用作DC/DC、DC/AC、AC/AC电力变换电源外，还可用作电力电子开关型电力补偿、控制器。利用电力电子开关在电路中并联地或串联地接入或切除电感、电容、电子阻，可以瞬时地改变线路等效阻抗或等效的感性、容性、阻性负载，对开关器件的通、断状态进行实时、适式的控制，又可以使开关电路输出任意频率（基波或谐波）、任意幅值和相应的周期性正弦波，周期性非正弦波，或非正弦、非周期瞬时脉冲型电压或电流。本章归纳介绍了十类电力电子开关型电力补偿、控制器、可用于补偿和控制电力系统中线路阻抗和等值负载，补偿和控制电力系统的谐波电流、谐波电压、基波电压、无功功率、有功功率、有功和无功潮流、平衡电力系统的有功功率以及抑制电压瞬变和功率振荡。10-1 晶闸管开关型阻 抗补偿控制器10-2 PWM开关型无功功率发生器10-3 负载谐波电流补偿器HCC(并联型电力有源滤波器PAPF)10-4 谐波电压补偿器HVC(串联型电力有源滤波器SAPF)10-5 PWM开关型串联基波电压补偿器10-6 电网瞬态电压补偿、抑制器10-7 晶闸管控制移相器TCPS(晶闸管控制的相位调节器TCPR)10-8 超导磁体储能系统SMES 10-9 统一潮流控制器UPF