《电力电子技术》教学大纲.docx

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1、教学大纲课程代码： 10120480 课程名称：电力电子技术 学分： 3 周学时 2.5-1.0 面向对象：电气工程及其自动化、自动化等电气类专业学生 预修课程要求：电路原理，模拟电子技术基础，数字电子技术基础一、课程介绍( 100-150 字)(一)中文简介电力电子技术 内容包括功率半导体器件、 驱动及保护电路、 交流 -直流 (AC-DC)变换 电路、直流-直流(DC-DC)交换电路、 直流 -交流(DC-AC)变换电路、 交流-交流(AC-AC)变换电 路、软开关技术等。 教学上除考虑课程本身的系统性外， 还特别注意在电力电子技术在电力 工程中的应用。 通过本课程的学习， 可掌握各电力电

2、子变换装置的电路结构、基本原理、控 制方法、设计计算，为今后从事相关科研工作打下坚实基础。(二)英文简介The course introduces power electronic devices, drive and snubber circuits, AC-DC Converters (Rectifiers), DC-DC Converters (Choppers), DC-AC Converters (Inverters ), AC-AC Converters (AC Controllers and Frequency Converters ), soft-switching techn

3、iques. Both theoretics and applications of power electronic technology are discussed in this course. The circuit configurations, fundamental theory, control and design methods of power electronic apparatus can be mastered , and a solid foundation for future research can be acquired through studying

4、this course.二、教学目标( 一 ) 学习目标电力电子技术横跨 “电力”、“电子”与“控制” 三个领域， 是现代电子技术的基础之一， 已被广泛地应用在工农业生产、国防、交通等各个领域，有着极其广阔的应用前景。 电力 电子技术是电类专业重要的专业基础课程。(二)可测量结果本课程通过对功率半导体器件、驱动及保护电路、交流- 直流(AC-DC)变换电路、直流 -直流(DC-DC)交换电路、直流 -交流(DC-AC)变换电路、交流 -交流 (AC-AC)变换电路、软开关 技术等内容的学习， 使学生能掌握各类电能变换的基本原理， 各电力电子变换装置的电路结 构、基本原理、控制方法、设计计算；使

5、学生具有初步设计、调试、分析电力电子变流装置 的能力。三、课程要求一)授课方式与要求课堂讲授、讨论，实验研究。1. 采用 CAI 课件教学。2. 实验课每周 2学时，安排进行 4 5个实验 （每个实验 34 学时） ：（1）晶闸管触发电路 （ 锯齿波触发电路 ）及单相整流电路实验（2）全控型器件及驱动保护电路实验（3）三相桥式全控整流与有源逆变电路实验（4）DC-DC电路实验（5）AC-AC电路 （ 或 DC-AC） 实验 每周布置作业，作业量 23 小时。（二）考试评分与建议 1期末考试方式：有纸化半开卷考试，可带一张写有总结的A4 纸。2进行实验操作考试。3撰写科技小论文（选做） ，符合要

6、求者适当加分。4按照实验考试 20、平时作业 10%、平时实验 10%、期末考试 60 比例，评定最终 成绩。四、教学安排每周 5学时（不计实验时间） ，共 8周, 计 40学时。第一次：概论（ 2 学时）主要内容 ：介绍电力电子技术的基本概念、 研究现状、发展趋势；布置论文作业题目； 介绍科技论 文的写作基本要求。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年 思考题 ：1. 电力电子技术的发展趋势如何？第二次：功率半导体器件（ 12）：功率二极管与晶闸管（ 3 学时）主要内容 ： 介绍功率二极管的结构、开关特性、主要参数等。晶闸管的结构、工作原理

7、、门极伏安 特性、开关特性、主要参数，以及晶闸管的派生器件。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年2. 现代电力电子器件及其应用，华伟、周文定 ， 北方交通大学出版社， 2002 年 思考题 ：1. 晶闸管作为半控型器件，为何仍在当前的电气工程中得到广泛应用？第三次：功率半导体器件（ 34）：全控型器件（ 2 学时）主要内容 ：介绍大功率晶体管、 功率场效应晶体管、 绝缘栅双极型晶体管等全控型器件的结构、 开 关特性、主要参数等。讨论大功率晶体管的二次击穿现象与安全工作区、 绝缘栅双极型晶 体管擎住效应和安全工作区 阅读材料 ：1. 电力电子

8、技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年2. 现代电力电子器件及其应用，华伟、周文定 ， 北方交通大学出版社， 2002 年 思考题 ：1. 理想的电力电子器件应具有哪些特性？2. 说明各类电力电子器件的特点及适用场合。第四次：驱动与保护（ 12）：晶闸管触发电路（ 3 学时）主要内容 ：晶闸管是半控型器件， 晶闸管的触发电路应满足与主电路同步、 能平稳移相且有足够移 相范围、脉冲前沿陡、有足够的幅值与脉宽、 抗干扰能力强等要求。单结晶体管触发电路简 单实用， 在单相整流电路中得到应用。 锯齿波同步移相触发电路是使用较多的晶闸管触发电 路，它主要有同步检测、锯齿波形成、

9、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。主要介 绍锯齿波同步移相触发电路，以及触发脉冲与主电路的同步问题。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年思考题 ：1. 晶闸管电路对触发脉冲有哪些要求？2. 锯齿波同步移相触发电路的工作原理。3. 如何实现触发脉冲与主电路的同步？第五次：驱动与保护（ 34）：晶闸管的串、并联与保护（ 2 学时） 主要内容 ：晶闸管的串、并联及均流、均压方法。晶闸管的过压保护主要使用压敏电阻、阻容吸收 等，过流保护则采用电流检测、快速熔断器等，另外还应对du/dt、di/dt 进行限制。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第

10、 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年思考题 ：1. 为何要对晶闸管进行串并联连接？2. 如何实现晶闸管的过压、过流保护？第六次：驱动与保护（ 5）：全控型器件的驱动与保护（ 3 学时）主要内容 ：大功率晶体管（ GTR ）和门极可关断晶闸管（ GTO ）属电流型全控型器件。 GTO 的驱 动电路中的门极开通电路与 SCR 触发电路基本相同，而要求门极关断电路能产生足够大的反向电流来关断已导通的 GTO 。 GTR 驱动电路除满足一般驱动电路的要求外，还应有抗饱 和电路，使 GTR 工作在准饱和区，提高开关速度，降低开关损耗。功率场效应晶体管 （P-MOSFET ）和绝缘栅双

11、极型晶体管（ IGBT ）都属电压型全控型器件。由于电压型器件 输出阻抗高，驱动电流小，因此驱动电路相对比较简单。 目前，有许多专用芯片用来驱动全 控型器件，如 IR2110 、EXB840 等。全控型器件的过流保护通常采用检测Uce，利用电子开关的快速动作来及时关断器件。缓冲电路的使用可对由于全控型器件的开关而引起过电压、 过电流、过大的 di/ dt 、 du/dt 及过大的瞬时功率进行保护。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社2010 年思考题 ：1. 电压型器件的驱动电路有何特点？2. 为何全控型器件的过流保护通常采用检测Uce？第七次： AC-

12、DC 变换（ 12）：单相整流电路（ 2 学时）主要内容 ：单相整流电路可分为单相半波电路和单相桥式电路。 单相整流电路比较简单、 成本也低、 控制方便， 但输出电压波形较差，谐波分量较大， 使用场合受到限制。 介绍单相整流电路在 电阻性、电感性及反电势负载时的工作原理及电压、电流的计算方法。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年 思考题 ：1. 说明续流二极管的作用？第八次： AC-DC 变换（ 34）：三相整流电路（ 3 学时）主要内容 ：三相整流电路也可分为三相半波 （有共阴极、 共阳极两种）和三相桥式电路。三相整流 电路输出直流电压波

13、形较好， 脉动小， 电路的功率因数也比较高。 三相整流电路的应用较广， 尤其是三相桥式整流电路在直流电机拖动系统中得到了广泛的应用。 介绍不同负载时三相半 波和三相桥式电路的工作原理、 电压与电流的波形及计算， 整流电路的换流重叠现象及换流 压降的计算。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年思考题 ：1. 如何计算考虑换流重叠现象时整流电路输出直流电压、直流电流？第九次： AC-DC 变换（ 5）：有源逆变电路（ 2 学时）主要内容 ：有源逆变是整流电路在特定条件下的工作状态， 其分析方法与整流状态时相同， 在直流 电机拖动系统中可通过有源逆

14、变状态将直流电机的能量传送到电网。介绍有源逆变的条件、 有源逆变电路工作原理、逆变颠覆及其防止、最小逆变角的确定。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年思考题 ：1. 有源逆变的条件是什么？第十次： AC-DC 变换（ 6）：整流电路的谐波与功率因数（ 3 学时）主要内容 ：电力电子装置的使用会带来谐波和功率因数问题。 谐波的产生会引起电网谐波污染和控 制系统的误动作，对通信系统产生干扰， 在电气传动系统中产生振动、 噪声等不良后果。而 功率因数的下降会使电网无功电流增加、 产生电压波动等不利影响。 因此有必要对谐波和功 率因数问题进行分析，

15、 找出相应的改善方法。 介绍整流电路谐波与功率因数的分析。 带平衡 电抗器双反星形整流电路适合大电流、 低电压的负载。 整流电路的多重化可分为并联多重结 构和串联多重结构，该电路结构适合大功率负载。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社2010 年2. 电力电子学电力电子变换和控制技术，陈坚 , 高等教育出版社 , 2002 年 思考题 ：1. 如何减小整流电路产生的谐波？2. 双反星形整流电路中平衡电抗器起什么作用？第十一次： AC-AC变换（ 12） :交流交流变换电路（ 2 学时） 主要内容 ：交流交流 （AC AC）变换是一种可以改变电压大小、频率

16、、相数的交流交流电力变 换技术。 只改变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路， 称为交流调压电路 和交流调功电路或交流无触点开关。 从一种频率交流变换成另一种频率交流的电路则称为交 交变频器， 它有别于交直交二次变换的间接变频， 是一种直接变频电路。 目前正在研 究一种矩阵式变换器，它是一种具有优良输入、输出特性的特殊形式交 交变频器。 阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年2. 电力电子技术（第 5 版）王兆安，刘进军，机械工业出版社，2009 年思考题 ：1交流调压电路的工作状态与负载性质有何关系？2. 交交变频电路最高输出频

17、率与输入频率之间有何约束关系？限制输出频率提高的因素是什么？第十二次： DC-DC变换 （1 3）: 直流-直流交换电路（ 3 学时） 主要内容 ：直流直流（ DCDC ）变换是一种可以进行直流电压升降、极性变换、阻抗变换的变 换技术，广泛用于直流电机调速和开关电源技术， 特别是后者，是目前通信、计算机电源技 术的核心。主要介绍 Buck 、 Boost、 Boos Buck 和 Cúk 变换电路，并介绍了桥式可逆斩波 电路。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年2. 电力电子技术（第 5 版）王兆安，刘进军，机械工业出版社， 20

18、09 年 思考题 ：1比较 Boost Buck 变换电路与 Cúk 变换电路的异同点。第十三次： DC-AC变换 （1） ：直流 -交流变换电路（ 2 学时） 主要内容 ：直流 -交流（ DC AC ）变换是一种将直流变换成可变频率交流的技术，广泛用于交流 电机变频调速传动、 风力发电技术中的交流励磁电源及与大电网的直 交电能变换、 有源电 力滤波器、 不间断电源、 感应加热装置、 电力系统中的静止无功发生器等， 其技术内容涵盖 采用晶闸管的方波逆变电路和高频全控型器件的脉宽调制（ PWM ）逆变电路，其中 PWM 技术更是电力电子技术中发展最快、 最具潜力的技术方向。 介绍晶闸管

19、变换电路中三种常用 换流方式： 电网换流、负载谐振换流、电容强迫换流。讨论了逆变器多重化和逆变电路多电 平化技术，以适应大功率 DC AC 变换应用的需要。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年2. 现代电力电子技术，林渭勋，机械工业出版社，2006 年思考题 ：1晶闸管无源逆变器有几种换流方式？负载谐振换流式逆变器和强迫换流式逆变器中 的电容器 C 的作用有何异同？2. 逆变电路多重化、多电平化的目的是什么？实现方法上各有何特点或差异？第十四次： DC-AC 变换（24） ： DC AC 变换： PWM 逆变电路（ 3学时） 主要内容 ：单

20、极性与双极性调制、同讨论 PWM 技术的基本概念，介绍单脉冲调制和多脉冲调制、 步调制和异步调制、 SPWM 调制及其调制方法。讨论正弦脉宽调制（ SPWM ）、电流跟踪控 制 PWM 及电压空间矢量控制（ SVPWM ）这三种 PWM 变换方法的初衷（目的）和具体的 实现技术。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社2010 年2. 现代电力电子技术，林渭勋，机械工业出版社， 2006 年 思考题 ：1 PWM 调制有哪些方法？它们各自的出发点是什么？2. 什么是单极性、双极性 PWM ？什么是同步调制、异步调制、分段（混合）同步调 制？各有什么优、缺点？

21、第十五次：谐振软开关技术（ 2 学时） 主要内容 ：讨论 PWM 电路开关过程中的损耗分析开始， 建立谐振软开关的概念； 介绍零电压开关 准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关 PWM 电路、零电压转换 PWM 电路和谐 振直流环电路。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年2. 电力电子技术（第 5 版）王兆安，刘进军，机械工业出版社， 2009 年 思考题 ：1何谓软开关和硬开关？谐振软开关的特点是什么？ZVS 的机理是什么？它2. 谐振直流环是一个什么概念？谐振直流环逆变器实现开关 与传统逆变器相比有何优势和不足之处？第十六次：电力

22、电子技术在电气工程中的应用（13）（ 3 学时）主要内容 ：介绍闸管 - 直流电动机调速系统、异步电机变频调速系统、变速恒频风力发电技术、有 源电力滤波器（ APF）、不间断电源（ UPS）、静止无功补偿（ SVC）、静止无功发生器（ SVG）、 高压直流输电（ HVDC）等。阅读材料 ：1. 电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社 2010 年 思考题 ：五、参考教材及相关资料教材：1电力电子技术（第 2 版），贺益康、潘再平编著，科学出版社2. 电力电子技术与运动控制系统实验，潘再平、唐益民编著， 主要参考书：1. 电力电子技术（第 5 版）王兆安，刘进军，机械工业出版社，2010 年2008 年2009 年2. 现代电力电子技术，林渭勋，机械工业出版社， 2006 年 六、课程教学网站： http:/dldzjs.jpkc.cc/