电力电子-陈坚_第1章

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1、第 1 章 电力电子变换和控制技术导论,2,1 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,3,1.1 电力电子学科的形成,1.电力技术 2.电子技术 3.电力电子技术,4,1.1 电力电子学科的形成（续1）,电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。 利用电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。,1.电力技术,5,1.1 电力电子学科的形

2、成（续2）,电子技术又称为电子学，它是与电子器件、电子电路以及电子设备和系统有关的科学技术。 电子技术是研究电子器件，以及利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。 又称为信息电子技术或信息电子学。,2.电子技术,6,1.1 电力电子学科的形成（续3）,也称为电力电子学。 利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用集成电路和微处理器构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，经济有效地实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。 是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。 电力电子技术的发展

3、史是以电力电子器件的发展史为纲,3.电力电子技术(Power Electronics),7,电力电子技术和电子技术的关系,电力电子电路(Power Electronic Circuit）和电子电路Electronic Circuit） 许多分析方法一致，仅应用目的不同 广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路 器件的工作状态 信息电子 既可放大，也可开关 电力电子 为避免功率损耗过大，总在开关状态 电力电子技术的一个重要特征,8,电力电子技术与电气工程的关系,主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中。 电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动

4、、电解、电镀、励磁、电加热、高性能交直流电源等电气工程领域。 通常把电力电子技术归属于电气工程学科 电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力,9,电力电子技术与控制理论的关系,控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求 电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带 控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术,10,1.1 电力电子学科的形成（续4）,典型的电力电子系统框图,3.电力电子技术(Power Electronics),11,1.电力

5、变换的类型 2.交流机组实现电力变换 3.利用开关器件实现电力变换的基本原理,1.2 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法,12,1.电力变换的类型,电源可分为两类： 直流电（D.C） ，频率f=0 交流电（A.C） ，频率f0 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。 这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器,13,2.交流机组实现电力变换,传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 基本原理 缺点,14,2.交流机组实现电力变换(续1),传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率的交流电？ 基本原理 缺点,15,3.利用开关

6、器件实现电力变换的基本原理,如何用电力电子开关器件实现电能的变换？ 基本原理 图中的开关设为理想开关 vo= Svi S为开关函数,16,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1),如何用电力电子开关器件实现电能的变换？,DC/DC直流降压电路,17,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2),方案一: 电阻降压,18,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续3),方案二: 串联晶体管,19,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续4),方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗,20,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续5),方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗,

7、21,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续6),方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 串联LC, 滤出谐波, 滤波器的截止频率开关频率,22,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续7),BUCK电路,方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 增加控制回路,23,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续8),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,AC/DC基本整流电路,24,3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续9),工作方式 方波、PWM波 分析方法 傅立叶分解 考虑问题 开关时刻、 滤波,DC/AC基本逆变电路,25,3.利用

8、开关器件实现电力变换的基本原理(续10),工作方式 周期控制 分析方法 等效法 考虑问题 开关时刻,AC/AC直接变频、变压电路,1.3 电力电子技术的应用,一般工业 直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置 近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源,返回,1.3

9、电力电子技术的应用,交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术 电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制,1.3 电力电子技术的应用,飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术 如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统

10、，而近年来交流变频调速已成为主流,1.3 电力电子技术的应用,电力系统 电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。 直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。,1.3 电力电子技术的应用,无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（ TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止

11、无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置,1.3 电力电子技术的应用,电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。各种计算机所需的工作电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源

12、体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。,1.3 电力电子技术的应用,家用电器 照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。,1.3 电力电子技术的应用,其他 不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大，但必须应用电力电子技术 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，

13、也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术 各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。,1.3 电力电子技术的应用,为了合理地利用水力发电（Waterpower）资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。 核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电

14、子技术的用武之地。,1.3 电力电子技术的应用,以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十瓦以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。 电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术,36,1.4 开关型电力电子变换器的基本特性,开关型电力电子变换器的核心部分是

15、一组开关电路 输出、输入端附加、滤波器，可以改善输出电压和输入电流波形 通常采用开关周期平均值（状态空间平均法）和傅立叶级数分析其工作特性 电力电子变换电路中的电压、电流周期性时间函数 v(t)=v(t+T)、i(t)=i(t+T)往往具有对称性,37,1.5 开关型电力电子变换器的应用领域,开关型电力电子变换电源 开关型电力电子补偿控制器,38,电机传动,39,美国NASA兰利研究中心的风洞设备,40,富士高速机车,41,新能源发电,42,未来电力系统,43,课程学习要求,掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术 掌握典型电力电子变换器的主电路拓扑结构、运行过程、工作波形、控制要求 掌握常用的电力电子变换电路的分析方法 了解电力电子变换器的应用领域 电力电子学是一门实践性很强的专业基础课程，应主动对待实验，培养实际工作能力。,