電力電子技術(shù)課件：PE1.緒論

電力電子技術(shù)主講教師：石景坡辦公室/實(shí)驗(yàn)室：新主樓D539

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電話教：蔣映辦公室/實(shí)驗(yàn)室：新主樓D539Email:09291172@電話考書：丁道宏主編《電力電子技術(shù)》，航空工業(yè)出版社，1999王兆安主編《電力電子技術(shù)》，機(jī)械工業(yè)出版社，第5版

AgrawalJaiP.Agrawal.《Powerelectronicsystems》，清華大學(xué)出版社,2001教材:陳堅(jiān)等編《電力電子學(xué)》第3版英文期刊：IEEETransactionsonPowerElectronics.IEEProceedingsElectricPowerApplications.中文期刊：

中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)電工技術(shù)學(xué)報(bào)電力電子技術(shù)

第1章緒論1.1電力電子技術(shù)的學(xué)科內(nèi)涵1.2電力電子技術(shù)的基本原理及控制方法1.3開關(guān)型電力電子變換器的基本特性1.4開關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用1.5本課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容與要求電力電子技術(shù)的構(gòu)成與研究?jī)?nèi)容1)、電力電子學(xué)科的形成(1)人類近代史上的二次技術(shù)革命①18世紀(jì)中以瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)為標(biāo)志，為第一次技術(shù)革命，以蒸汽取代自然力，促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展；②19世紀(jì)初以法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理為標(biāo)志，為第二次技術(shù)革命，以電力取代蒸汽，又大大推動(dòng)了生產(chǎn)力發(fā)展，同時(shí)又出現(xiàn)了信息技術(shù)。(2)電力技術(shù)①電磁感應(yīng)原理的應(yīng)用，電能的產(chǎn)生，與其它能源轉(zhuǎn)換，以及電能之間的轉(zhuǎn)換；②電能的傳輸與分配。9電力電子學(xué)科的形成第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電力技術(shù)所用設(shè)備：電機(jī)開關(guān)變壓器電感電容輸電線完成功能：發(fā)電輸電配電用電基礎(chǔ)理論：電路磁路電磁場(chǎng)

10電力電子學(xué)科的形成第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電子技術(shù)所用器件：晶體管場(chǎng)效應(yīng)管集成電路微處理器電感電容完成功能：信號(hào)產(chǎn)生、變換、存儲(chǔ)、發(fā)送、接受基礎(chǔ)理論：電路磁路電磁場(chǎng)

電力電子學(xué)科的形成(3)電子技術(shù)①19世紀(jì)后期，赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波，引出了電子技術(shù)的發(fā)展；②電子器件和電子電路應(yīng)用于設(shè)備與系統(tǒng)的構(gòu)成，形成了電子技術(shù)。(4)電力電子技術(shù)①以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出大功率晶體開關(guān)器件——晶閘管為標(biāo)志，開拓了電力電子技術(shù)的發(fā)展前景；②電力電子技術(shù)就是支持工程領(lǐng)域中有效利用電力電子器件(半導(dǎo)體晶體器件)，實(shí)現(xiàn)電功率形式的變換與控制(將“粗電”變?yōu)椤熬姟保_(dá)到電能質(zhì)量指標(biāo)及其相關(guān)技術(shù)要求的工程技術(shù)及其科學(xué)理論，也稱功率電子技術(shù)；其相應(yīng)的科學(xué)理論，稱之謂功率電子學(xué)，或電力電子學(xué)。

控制技術(shù)模擬（連續(xù)）控制技術(shù)。數(shù)字（離散）控制技術(shù)。理論與技術(shù)的進(jìn)步，促使數(shù)字控制技術(shù)越來(lái)越多取代模擬控制技術(shù)。例：變頻器控制技術(shù)的發(fā)展史。自動(dòng)控制理論（含經(jīng)典和現(xiàn)代）、現(xiàn)代電機(jī)控制理論等等，是促進(jìn)電力電子技術(shù)不斷發(fā)展的源泉之一。電力電子技術(shù)功率電子技術(shù)將電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)：大功率電能的發(fā)電、輸配電、儲(chǔ)電、用電…大功率電子技術(shù)主要功能大功率電能的變換典型的電力電子系統(tǒng)框圖返回本節(jié)15電力電子學(xué)科的形成第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電力電子技術(shù)發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史以電力電子器件的發(fā)展史為綱19041930194719581970198019902000t(年)全控型器件迅速發(fā)展晶體管誕生晶閘管問世電子管問世史前期（黎明期）水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代晶閘管時(shí)代IGBT出現(xiàn)功率集成器件

電力電子技術(shù)的發(fā)展晶閘管階段全控型器件階段復(fù)合型器件和功率集成器件階段晶閘管階段全控型器件階段復(fù)合型器件和功率集成器件階段電力電子器件的研制水平器件名稱國(guó)外國(guó)內(nèi)普通整流管

8kV/5kA6kV/3.5kA普通SCR12kV/1.5kA;8kV/6kA5.5kV/3kAGTO9kV/2.5kA4.5kV/2.5kA電力MOSFET1kV/50A1kV/35AGTR1.8kV/1kA1.2kV/400AIGBT4.5kV/1.5kA1kV/50A

電力電子技術(shù)的地位工業(yè)控制的末端弱電對(duì)功率執(zhí)行部件的控制接口工業(yè)系統(tǒng)的電能供應(yīng)電力電子出現(xiàn)前后工業(yè)控制的狀況粗調(diào)隨心所欲的精細(xì)控制電力電子技術(shù)在工業(yè)革命中的作用電力電子技術(shù)A課程的由來(lái)電氣工程專業(yè)最活躍的學(xué)科可控硅變流技術(shù)晶閘管變流技術(shù)變流技術(shù)電力電子其他用電專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)平臺(tái)電力電子技術(shù)的學(xué)科內(nèi)涵2)、電力電子技術(shù)的學(xué)科內(nèi)涵電功率形式變換由功率器件及其組成電路實(shí)現(xiàn)，電能質(zhì)量由相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制技術(shù)來(lái)保證。（1）器件——半導(dǎo)體物理與電子學(xué)；材料、結(jié)構(gòu)決定其功率與特性。（2）電路——電路、電磁（含場(chǎng)）理論；不同拓?fù)潆娐罚瑢?shí)現(xiàn)不同功能；不同結(jié)構(gòu)布局，產(chǎn)生不同的性能與效果。（3）控制——控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)；實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量與技術(shù)要求的保證，涉及系統(tǒng)優(yōu)化。內(nèi)涵涉及電子、電路（含場(chǎng)）、控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一門在工程、科學(xué)、技術(shù)發(fā)展過程中形成的多學(xué)科相互滲透的、綜合性工程技術(shù)學(xué)科。3)、電力電子技術(shù)與其它學(xué)科的關(guān)系（1）相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，推動(dòng)電力電子技術(shù)發(fā)展，如半導(dǎo)體材料、磁性材料、電子電路、控制理論與動(dòng)態(tài)分析等等；電力電子技術(shù)的學(xué)科內(nèi)涵（2）電力電子技術(shù)的發(fā)展，也推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，如電機(jī)調(diào)速、航空電源等等；（3）與電子技術(shù)、電力技術(shù)、控制技術(shù)所相關(guān)學(xué)科關(guān)系最為密切，由倒三角形表示(4)電力電子學(xué)是電氣工程學(xué)科中的一個(gè)分支，是當(dāng)前最活躍的分支，為電氣工程活力的一個(gè)源泉，是電氣工程專業(yè)三大支柱之一，即電、磁、功率電子。電力電子學(xué)的構(gòu)成：研究?jī)?nèi)容：1）電力電子器件的應(yīng)用

2）電力變換電路

3）控制技術(shù)1.2電力電子技術(shù)的基本原理及控制方法1)、電力電子技術(shù)分類(1)以電能交、直流形式劃分，電力電子技術(shù)也稱為變流技術(shù)，即輸入、輸出電能形式的變換，四大類。28開關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電源可分為兩類：直流電（D.C），頻率f=0

交流電（A.C），頻率f0電力變換按電壓/電流的大小、波形及頻率變換劃分為四類基本變換及相應(yīng)的四種電力變換電路或電力變換器。這四類基本變換可以組合成許多復(fù)合型電力變換器電力變換電路：

交流→直流，整流交流→交流，交流電力控制/變頻/變相直流→交流，逆變直流→直流，斬波

電力電子技術(shù)分類(2)以電子學(xué)概念劃分——變流技術(shù)和器件(研制與生產(chǎn))技術(shù)控制方式相控式頻控式斬控式軟開關(guān)技術(shù)32傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟姡康?章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論33傳統(tǒng)電力技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)交流電頻率的變換？第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論2)、利用功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電功率變換的基本原理(1)基本開關(guān)功能電路①常規(guī)開關(guān)——僅控制負(fù)載供電狀態(tài)，見圖1-2(a)；②橋式開關(guān)——除控制負(fù)載供電狀態(tài)外，還可控制負(fù)載連接電源的方向，見圖1-2(b)。

(a)常規(guī)開關(guān)電路(b)橋式開關(guān)電路圖1-2基本開關(guān)電路(2)橋式開關(guān)功能電路的應(yīng)用①基本整流電路(AC/DC)——單相橋式單相橋式整流電路如圖1-3所示。*理想不可控整流，得直流平均電壓及偶次諧波；*相控整流，存在導(dǎo)通起始角α，得與α角相關(guān)的直流平均電壓與各次諧波，α=180°，直流平均電壓為0，調(diào)節(jié)α可調(diào)節(jié)直流輸出電壓；

圖1-3單相橋式整流電路*多脈波PWM整流，半個(gè)周期中每個(gè)開關(guān)多次通斷，開關(guān)頻率固定，調(diào)節(jié)脈沖寬度可調(diào)節(jié)直流輸出電壓。36AC/DC基本整流電路工作方式：相控、斬波分析方法：傅立葉分解、積分考慮問題：開關(guān)時(shí)刻、濾波第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論②基本逆變電路(DC/AC)——橋式開關(guān)橋式開關(guān)逆變電路如圖1-4所示。*理想橋式開關(guān)逆變，得方波交流，交流電壓基波有效值為直流電源電壓的倍，諧波為奇次；*橋式相控逆變，存在導(dǎo)通角θ(<π)，調(diào)節(jié)θ角，可調(diào)節(jié)交流輸出基波電壓有效值；θ=0，輸出電壓為0；θ=π，則輸出電壓最大；

圖1-4橋式開關(guān)逆變電路*多脈波PWM逆變，適當(dāng)調(diào)節(jié)半個(gè)周期中開關(guān)管的通斷規(guī)律，既可調(diào)節(jié)輸出電壓大小，還可大大減小輸出電壓中的諧波分量。38DC/AC基本逆變電路工作方式：方波、PWM波分析方法：傅立葉分解、積分考慮問題：開關(guān)時(shí)刻、濾波第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論③直接變頻電路(AC/AC)——單相橋式開關(guān)單相橋式直接變頻電路如圖1-2(b)所示。*控制好功率開關(guān)器件的導(dǎo)通、截止的規(guī)律與節(jié)奏，即功率開關(guān)器件的通、斷時(shí)序與通、斷持續(xù)時(shí)間，可以獲得頻率變化的交流電，但只能是由高頻變換成低頻；該類變換又稱周波變換器；*采用類似于整流時(shí)的相控與PWM技術(shù)，不僅可以變換交流電的頻率，還可調(diào)節(jié)其輸出電壓的大小和減小輸出電壓中的諧波分量。④直流變換(斬波)電路(DC/DC)——可實(shí)現(xiàn)升、降壓二種功能圖1-5(a)和(b)分別為DC/DC變換的降壓和升壓變換電路。*降壓變換，S4持續(xù)導(dǎo)通、S3持續(xù)斷開；S1、S2交替通斷，調(diào)節(jié)S1、S2的通斷時(shí)間比例，可調(diào)節(jié)輸出電壓大小，此時(shí)，輸出電壓總小于電源電壓；同時(shí)輸出電壓中還有一系列交流諧波；40AC/AC直接變頻、變壓電路工作方式：周期控制分析方法：等效考慮問題：開關(guān)時(shí)刻第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論41

DC/DC直接變換電路（降壓）工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合調(diào)制）分析方法：傅里葉分解第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論*升壓變換，儲(chǔ)能電感置于電源側(cè)，S1持續(xù)導(dǎo)通，S3持續(xù)斷開，S2、S4交替通、斷，調(diào)節(jié)S2、S4的通斷時(shí)間比例，可調(diào)節(jié)輸出電壓大小，此時(shí)輸出電壓總大于電源電壓；同時(shí)輸出電壓中也有一系列交流諧波。(a)DC/DC降壓變換電路(b)DC/DC升壓變換電路圖1-5DC/DC交換電路43

DC/DC直接變換電路（升壓）第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論1.3開關(guān)型電力電子變換器的基本特性開關(guān)型電力電子變換器的核心部分是一組開關(guān)電路1、變換器輸出端電壓和輸入端電流不可能是理想的直流或無(wú)畸變的正弦基波交流，即存在諧波問題；2、變換器的輸入端和輸出端一般都設(shè)置濾波電路，以改善輸出電壓和輸入電流波形；濾波電路的設(shè)計(jì)要充分考慮電感對(duì)高頻諧波呈現(xiàn)高阻抗和電容對(duì)高頻諧波呈現(xiàn)低阻抗的特性；3、高頻PWM控制技術(shù)是改善開關(guān)電路輸出電壓波形和輸入電流波形最有效的方法；4、開關(guān)型電力電子變換器的工作特性分析，由于其處于穩(wěn)定的持續(xù)動(dòng)態(tài)過程中，嚴(yán)密的數(shù)學(xué)求解是十分困難的，一般采用近似方法；而其工作過程存在周期性，所以常采用狀態(tài)空間平均法；5、變換器電路中的電壓、電流都具有周期性，即V(t)=V(t+T)、i(t)=i(t+T)，往往還存在一定的對(duì)稱性，所以這些電壓、電流物理量中不存在一定階次的諧波。1.4電力電子技術(shù)的應(yīng)用電機(jī)的調(diào)速與驅(qū)動(dòng)控制各種電源電力系統(tǒng)其它存在兩大應(yīng)用領(lǐng)域

1、開關(guān)型電力電子變換電源能有效地將一種頻率、電壓、波形的電能變換成另一種頻率、電壓、波形的電能，使用電設(shè)備在最佳的供電電源下工作，以獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。2、開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器——有兩種類型(1)電壓、電流(有功功率、無(wú)功功率)補(bǔ)償控制器電路如圖1-6(a)所示，只要對(duì)4個(gè)開關(guān)S1、S2、S3、S4進(jìn)行實(shí)時(shí)、合適的高頻通、斷控制，則其可輸出頻率、相位、幅值均可控的任意波形的電壓源；當(dāng)輸出串接大電感，則就可為任意波形的電流源。(2)阻抗補(bǔ)償控制器47開關(guān)型電力電子變換電源第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電力系統(tǒng)中的直流遠(yuǎn)距離輸電直流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制交流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)電解、電鍍等應(yīng)用領(lǐng)域中的低壓大電流可控直流電源。各類高性能的不間斷供電電源(UPS，UninterruptiblePowerSupply)各類恒頻、恒壓通用逆變電源48開關(guān)型電力電子變換電源第1章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論照明燈具用的高頻電力電子變換器(電子鎮(zhèn)流器)各類低壓直流開關(guān)電源蓄電池充電電源中頻或高頻感應(yīng)加熱電源大功率脈沖電源、激光電源燃料電池