電力電子技術(shù)-研究生課程

1、電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1 1 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論1.1 電力電子學(xué)科的形成1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 開關(guān)型電力電子變換的基本原理及控制方法1.4 開關(guān)型電力電子變換器基本特性1.5 開關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域課程學(xué)習(xí)要求1電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.1 電力電子學(xué)科的形成電力電子學(xué)科的形成q電力技術(shù) 利用電力設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線、利用電力設(shè)備（發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線、電動(dòng)機(jī)、開關(guān)電器、電感、電容等）組成電電動(dòng)機(jī)、開關(guān)電器、電感、電容等）組成電力系統(tǒng)，應(yīng)用電磁學(xué)基本原理處理發(fā)電、輸力系統(tǒng)，應(yīng)

2、用電磁學(xué)基本原理處理發(fā)電、輸電、配電、用電的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。電、配電、用電的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。2q其應(yīng)用所依賴的器件是電機(jī)、變壓器、電抗器、電容器、開關(guān)等q研究對(duì)象是電能的參數(shù)（電壓、電流的頻率、波形、幅值、相位等電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)電力電子學(xué)科的形成（續(xù)1）q電子技術(shù)： 利用電子元器件（電子管、半導(dǎo)體器件、集利用電子元器件（電子管、半導(dǎo)體器件、集成電路、微處理器、電感、電容等）組成電成電路、微處理器、電感、電容等）組成電子信息系統(tǒng)，應(yīng)用電磁學(xué)基本原理處理信號(hào)子信息系統(tǒng)，應(yīng)用電磁學(xué)基本原理處理信號(hào)的產(chǎn)生、變換、存儲(chǔ)、發(fā)送、接收的技術(shù)稱的產(chǎn)生

3、、變換、存儲(chǔ)、發(fā)送、接收的技術(shù)稱為電子技術(shù)。為電子技術(shù)。3q其應(yīng)用所依賴的器件是電子器件（二極管、三極管、MOS管、集成電路、微處理器等）q研究對(duì)象是載有信息的弱電信號(hào)電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)電力電子學(xué)科的形成（續(xù)2）q電力電子技術(shù) 將現(xiàn)代電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件、半導(dǎo)體集成電路和微處理器實(shí)現(xiàn)電力變換和控制的電氣工程新學(xué)科，是一門綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科，稱為電力電子技術(shù)或電力電子學(xué)(Power Electronics) 。 （電力電子技術(shù)）電子器件電子電路電子技術(shù)電力設(shè)備電力網(wǎng)絡(luò)電

4、力技術(shù)控制技術(shù) （連續(xù)、離散）電力電子學(xué)圖1 .1 表 征電力電子技術(shù)的倒三角形4電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)電力電子學(xué)科的形成（續(xù)3）q19世紀(jì)70年代，有人開始有了用開關(guān)控制電能的想法q20世紀(jì)40年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展人們開始探索用電機(jī)、變壓器以外的器件進(jìn)行電能變換的控制；q1948年三極管的出現(xiàn)直接引發(fā)了電子技術(shù)革命；q1957年人們發(fā)明了晶閘管，標(biāo)志電力電子技術(shù)誕生；q20世紀(jì)60年代后以晶閘管為基礎(chǔ)的電力電子電路得到廣泛應(yīng)用；q20世紀(jì)70年代后期開始，以不斷出現(xiàn)的各種全控器件為基礎(chǔ)的電力電子電路開始逐步得到廣泛應(yīng)用；5電力電子學(xué)電力電

5、子變換和控制技術(shù)（第二版）1.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)電力電子學(xué)科的形成（續(xù)3）q目前，電力電子器件仍然在發(fā)展，推動(dòng)了電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大（功率范圍擴(kuò)大、成本降低）；并且，半導(dǎo)體器件的發(fā)展是電力電子發(fā)展的關(guān)鍵；q微電子技術(shù)的發(fā)展使電力電子裝置的控制性能不斷提高；q眾多研究者的努力使電力電子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷翻新。6電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義 公用電網(wǎng)的恒頻、恒壓電能經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q和處理以后再供負(fù)載使用，可以獲得更好的技術(shù)特性和更大的經(jīng)濟(jì)效益，這可從以下幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)明：q 節(jié)能q風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速、

6、照明（取代普通鎮(zhèn)流器）風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速、照明（取代普通鎮(zhèn)流器）q 省材q設(shè)備體積、重量減小使銅、鐵的使用量減少設(shè)備體積、重量減小使銅、鐵的使用量減少q 環(huán)保q節(jié)能、省材是環(huán)保的具體表現(xiàn)節(jié)能、省材是環(huán)保的具體表現(xiàn)q 提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率（供電穩(wěn)定、快速）q自動(dòng)化設(shè)備自動(dòng)化設(shè)備q 提高電力系統(tǒng)自身的運(yùn)行質(zhì)量和穩(wěn)定性q發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、柔性輸電、高壓直流輸電、諧波治理、無(wú)功補(bǔ)償發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、柔性輸電、高壓直流輸電、諧波治理、無(wú)功補(bǔ)償7電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.3 開關(guān)型電力電子變換的基本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換的基本原理及控制方法1.3.0 概述1.3.1 AC/DC基本整流

7、電路1.3.2 DC/AC基本逆變電路1.3.3 AC/AC直接變頻、變壓電路1.3.4 DC/DC直接變換電路電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.3.0 概述概述 電力變換可劃分為四類基本變換，相應(yīng)的有四種電力變換電路或電力變換器。 利用以上四種基本變換電路還可以組合成許多復(fù)合型電力電子電路。9電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器交流電動(dòng)機(jī)A.C.M直流發(fā)電機(jī)D.C.G控 制 系 統(tǒng)三相5 0 赫交流電源電壓反饋電壓給定勵(lì)磁直流負(fù)載傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟?？利用變流機(jī)組實(shí)現(xiàn)AC/DC變換101.3.0 概述（續(xù)概述（續(xù)1）電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)

8、（第二版）傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將一種頻率的交流電變?yōu)榱硪环N頻率的交流電？ 利用變流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換(b) 交流變頻、變壓發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)交流-交流電壓、頻率變換電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器交流電動(dòng)機(jī)A.C.M直流發(fā)電機(jī)D.C.G直流電動(dòng)機(jī)D.C.M交流發(fā)電機(jī)A.C.G控 制 系 統(tǒng)1fi2fi三相50赫交流電源頻率、電壓反饋頻率、電壓給定111.3.0 概述（續(xù)概述（續(xù)2）電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）如何用電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？ 分析中我們常常認(rèn)為圖中的開關(guān)均為理想開關(guān)。此時(shí)有: v0=svi （ S稱為開關(guān)函數(shù) ）電源負(fù)載ABCDS1S2+-iIivoiov+-(a)帶開關(guān)的電路電源負(fù)載DA

9、BCS1S2S3S4+-iI+-(b)橋式開關(guān)電路ivoiov121.3.0 概述（續(xù)概述（續(xù)3）電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.3.1 AC/DC基本基本整流整流電路電路 (a) 整流電路A.CS1S2S3S4ABCCDLRsviidVov0iDvsinsmvVttVvmosindV2mdVV2ov0tdVtcos1mdVVonTtdV (d) 多脈波PWM整流電壓波形00ovovov23ov（b） 0,電壓 波形ov (c) 0，電壓 波形工作方式：相控、斬波分析方法：傅立葉分解 、積分考慮問(wèn)題：開關(guān)時(shí)刻、 濾波13電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.3.2 DC/

10、AC基本基本逆變逆變電路電路X-Axis1vDov0ttX-Axis1vov0tCTonTonT(b) 方波(c) 寬度 方波tT/2T(d) PWM輸出電壓波形0ov2Ttov2T2tovovo180o180DVDVDV基本逆變電路及波形工作方式：方波、PWM波分析方法：傅立葉分解 考慮問(wèn)題：開關(guān)時(shí)刻、 濾波ABCDRLS1S2S3S4CDV(a) 基本逆變電路ov1v14電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.3.3 AC/AC直接直接變頻變頻、變壓變壓電路電路ABS1S2S3S4Sv+-負(fù)載CDov(a) AC-AC直接變頻電路S1、S4導(dǎo)通ON時(shí)，S2、S3斷開offS2、S3導(dǎo)

11、通ON時(shí)，S1、S4斷開off交流電源工作方式：周期控制思考方法：等效法 考慮問(wèn)題：開關(guān)時(shí)刻msTTi80401,4ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ONtVvmisinZiHf 50msTi2000ms20ms40(c) 輸出交流波形(b) 交流電源電壓波形) (0tvmsTTi80401,4ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ONtVvmisinZiHf 50ms

12、Ti2000ms20ms40(c) 輸出交流波形(b) 交流電源電壓波形) (0tv AC-AC直接變頻電路15電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.3.4. DC/DC直接變換電路直接變換電路工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合調(diào)制）分析方法：傅立葉分解ONSTOSSTVVDV直流直流降壓變換電路ABCDLVS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降壓電路)(tvo-TsonTdoVtoffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)輸出波形ovV直流直流降壓變換電路ABCDLS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降壓電路)(tvo-TsonTdoVto

13、ffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)輸出波形ovVSS16電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.3.4. DC/DC直接變換電路直接變換電路（續(xù)）（續(xù)） 直流直流升壓變換電路ABCDRS1S2S3S4CovLlioi+-(a) 直流升壓電路lidIovTs2TsonT0S2ONS4ON(b) 電壓 ，電流 ， 波形S2ON0S4ONoffToffTonTovlidIPSVSV17電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.4 開關(guān)型電力電子變換器基本特性開關(guān)型電力電子變換器基本特性q開關(guān)型電力電子變換器的核心部分是一組開關(guān)電路q在開關(guān)型電力電子變換電路的輸出、輸

14、入端附加濾波電路（ 通常為L(zhǎng)C濾波器 ），可以改善輸出電壓和輸入電流的波形q高頻PWM控制是改善開關(guān)電路輸出電壓、輸入電流波形最有效的技術(shù)措施（頻率的提高使濾波電路尺寸大幅度降低）q為使電力電子開關(guān)電路的輸出電壓接近理想的直流或正弦交流，一般應(yīng)對(duì)稱地安排一個(gè)周期中不同的開關(guān)狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間q常用分析方法狀態(tài)空間平均法，傅立葉變換18電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.5 開關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域1.5.1 開關(guān)型電力電子變換電源1.5.2 開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器19電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.5.1 開關(guān)型電力電子變換電源開關(guān)型電

15、力電子變換電源q電力系統(tǒng)中的直流遠(yuǎn)距離輸電q直流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制q交流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制q變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)q電解、電鍍等應(yīng)用領(lǐng)域中的低壓大電流可控直流電源。q各 類 高 性 能 的 不 間 斷 供 電 電 源 ( U P S ，Uninterruptible Power Supply)q各類恒頻、恒壓通用逆變電源20電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.5.1 開關(guān)型電力電子變換電源（續(xù)）開關(guān)型電力電子變換電源（續(xù)）q照明燈具用的高頻電力電子變換器(電子鎮(zhèn)流器)。q各類低壓直流開關(guān)電源。q蓄電池充電電源。q中頻或高頻感應(yīng)加熱電源。q大功率脈沖電源、激光電源。q燃料電池或太陽(yáng)能光-電轉(zhuǎn)

16、換系統(tǒng)輸出的恒壓直流或恒頻、恒壓交流電源。q超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能、磁懸浮運(yùn)載工具等高壓特大容量的電力電子變換電源。21電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.5.2 開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器1.5.2.1 1.5.2.1 電壓、電流（有功、無(wú)功）補(bǔ)償控制器電壓、電流（有功、無(wú)功）補(bǔ)償控制器1.5.2.2 1.5.2.2 阻抗補(bǔ)償控制器阻抗補(bǔ)償控制器22電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版） 開關(guān)型電力補(bǔ)償控制器1.5.2.1 1.5.2.1 電壓、電流（有功、無(wú)功）補(bǔ)償控制器電壓、電流（有功、無(wú)功）補(bǔ)償控制器 對(duì)圖示開關(guān)電路的四個(gè)開關(guān)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的高頻通、斷控制，再將開關(guān)電路輸出電壓經(jīng)高頻濾波后就可以由變換器輸出端得到所需要的、任意波形的周期性或非周期電壓，因此開關(guān)型電力電子變換器可以成為任意波形的電壓源; 如果電壓經(jīng)大電感接到外電路，就可以輸出任意波形的周期性或非周期電流，此時(shí)又可以看成一個(gè)任意波形的電流源。23電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）1.5.2 .1 開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器 將圖示的電感、電容或電阻經(jīng)一個(gè)可控的開關(guān)器件S并聯(lián)接入