電力電子電路及系統(tǒng)-碩士

電力電子電路與系統(tǒng)主講教師：電氣工程學(xué)院劉志剛第一章緒論（2學(xué)時(shí)） 電力電子學(xué)的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái) 第二章基本的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（2學(xué)時(shí)） 矢量分析與變換方法 建立數(shù)學(xué)模型的基本方法 系統(tǒng)的小信號(hào)分析 系統(tǒng)的大信號(hào)分析 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析第三章電能變換的基本變換方式（2學(xué)時(shí)）AC～DC DC～AC DC～DC AC～AC第四章高頻開(kāi)關(guān)直流變換電路。（4學(xué)時(shí)） 直接變換器 間接變換器第五章帶隔離變壓器的高頻開(kāi)關(guān)直流變換電路。（4學(xué)時(shí)） 單端變換器 橋式變換器 推挽式變換器第六章諧振變換器與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)（4學(xué)時(shí)）諧振逆變器零電壓開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)零電壓（零電流）多象限逆變器諧振鏈逆變器第七章電力電子技術(shù)在ＦＡＣＴＳ技術(shù)中的應(yīng)用（4學(xué)時(shí)）

功率因數(shù)補(bǔ)償 諧波補(bǔ)償 動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器 潮流控制器第八章可再生能源利用技術(shù)（4學(xué)時(shí)）

太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第九章國(guó)際諧波標(biāo)準(zhǔn)及電力電子系統(tǒng)的電磁兼容性（2學(xué)時(shí)）

國(guó)際諧波標(biāo)準(zhǔn) 電磁兼容性第十章電力電子電路與系統(tǒng)的系統(tǒng)集成電力電子電路的系統(tǒng)集成電力電子系統(tǒng)的系統(tǒng)集成第十一章電力電子系統(tǒng)的測(cè)控與故障診斷測(cè)量技術(shù)故障診斷技術(shù)第十二章典型應(yīng)用分析（4學(xué)時(shí)）不停電電源；電解電源與電鍍電源；電力牽引（電力推進(jìn)）及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；直流輸電；焊接電源；通訊電源；學(xué)習(xí)本課程之前應(yīng)已先修過(guò)電力電子技術(shù)（電力電子學(xué)）及其相關(guān)的基礎(chǔ)課程，如：電路原理，微電子技術(shù)，單片機(jī)原理及應(yīng)用，自動(dòng)控制原理，電機(jī)學(xué)，電力電子學(xué)，電力電子裝置及應(yīng)用等。特別強(qiáng)調(diào)請(qǐng)同學(xué)們?cè)谑谡n過(guò)程中注意聽(tīng)講，并做筆記。關(guān)于………時(shí)間與地點(diǎn)授課形式： 講課 論文講評(píng)（IEEE論文）考試：作業(yè)（10％） 講評(píng)（20％） 閉卷考試（70％）比較直接變換器和間接變換器的異同點(diǎn)。BOOST變換器的電壓變比是否可無(wú)窮大？簡(jiǎn)要分析試構(gòu)造兩種雙向流動(dòng)的直流變換器。畫(huà)出直接變換器和間接變換器的波紋模型。直接變換器和間接變換器引入高頻變壓器的目的是什么？變壓器的引入會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)什么影響，怎樣解決？回掃變換器的隔離變壓器漏感對(duì)變換系統(tǒng)產(chǎn)生什么影響？怎樣求直流變換器的變比？電流型和電壓型推挽變換器各是由哪些基本變換電路變換而來(lái)的？影響電力電子裝置可靠性的因素有哪些？造成電力系統(tǒng)功率因數(shù)低的原因？諧波的來(lái)源？電力電子裝置的效率與哪些因素有關(guān)？如何實(shí)現(xiàn)輸入輸出無(wú)波紋的CUK變換器。比較直接變換器和間接變換器的異同點(diǎn)。電壓變比，電壓極性，器件應(yīng)力。如何構(gòu)造雙向能量流動(dòng)變換器，兩種方法：教材，一條橋臂。補(bǔ)償方法，電流補(bǔ)償（并聯(lián)），電壓補(bǔ)償（串聯(lián)）諧振原理在工程中的應(yīng)用，直接變換器與間接變換器中為實(shí)現(xiàn)電氣隔離而引入變壓器后，對(duì)系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題?？紤]漏感的影響，電壓變化范圍的變化，器件的應(yīng)力的增加和減少，電壓的損失（漏感的影響），損耗，電流型與電壓型推挽變換器是由哪種變換器變換而來(lái)的。為什么要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償（諧波及功率因數(shù)），諧波危害有哪些（電機(jī)損耗，電機(jī)的力矩?cái)_動(dòng)，無(wú)線通訊干擾，控制系統(tǒng)干擾，人體損害），功率因數(shù)低的原因（非線性負(fù)載裝置的使用，感性負(fù)載，容性負(fù)載）及其危害？怎樣進(jìn)行諧波及功率因數(shù)的補(bǔ)償（無(wú)源，有源，串聯(lián)，并聯(lián)）一、綜述關(guān)于“電力電子電路與系統(tǒng)”功率變流系統(tǒng)解決的基本問(wèn)題關(guān)于電力電子器件電能變換的各種變換方式及主要應(yīng)用關(guān)于“電力電子電路與系統(tǒng)”定義：本科生“電力電子技術(shù)”的后續(xù)課。利用電路理論，現(xiàn)代微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代控制理論，大規(guī)模集成電路技術(shù)，電力系統(tǒng)理論，實(shí)現(xiàn)電能各種形式之間的變換，以實(shí)現(xiàn)滿足不同用電要求的目的。特點(diǎn)：功率范圍大應(yīng)用范圍廣涉及到的學(xué)科多理論與實(shí)踐密切相聯(lián)發(fā)展迅速（幾乎每一項(xiàng)與電氣工程相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步都會(huì)推進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展）。構(gòu)成基本元素與系統(tǒng)構(gòu)成構(gòu)成基本元素：二極管，IGBT等，電容，電感，電阻，控制電器，導(dǎo)線。系統(tǒng)構(gòu)成：主電路及其吸收電路，控制電路，抗電磁干擾電路?，F(xiàn)狀：國(guó)內(nèi)各著名大學(xué)均設(shè)有相關(guān)的專(zhuān)業(yè)方向美國(guó)設(shè)有國(guó)家電力電子研究中心（CPES）國(guó)家電力電子工程及研究中心。相關(guān)的先修基礎(chǔ)課程電路原理微電子技術(shù)（包括：低頻模擬電子，脈沖與數(shù)字電路）單片機(jī)原理及應(yīng)用（包括DSP）計(jì)算機(jī)技術(shù)（仿真與控制）自動(dòng)控制原理電力電子技術(shù)。電力電子電路與系統(tǒng)的基本問(wèn)題能量變換的基本觀點(diǎn)對(duì)能量的控制功率因數(shù)諧波效率可靠性系統(tǒng)成本（價(jià)格）性能與性價(jià)比存在與發(fā)展的必然性為獲得高控制性能節(jié)能應(yīng)用環(huán)保（或稱綠色電力電子裝置）帶來(lái)的問(wèn)題諧波問(wèn)題功率因數(shù)問(wèn)題效率問(wèn)題噪聲系統(tǒng)的干擾關(guān)于電力電子器件電力電子裝置的研 制與設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)輸入輸出參數(shù)的確定主電路及控制方法的確定系統(tǒng)仿真電路實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)試驗(yàn)性能測(cè)試可靠性試驗(yàn)（電磁兼容性測(cè)試，溫升試驗(yàn)，潮濕及振動(dòng)試驗(yàn)等）系統(tǒng)定型發(fā)展主要方向：高可靠性高頻化低成本低損耗高品質(zhì)(系統(tǒng)穩(wěn)定性,功率因數(shù),諧波)應(yīng)用前景(典型應(yīng)用)：交通運(yùn)輸（鐵路、城市交通、船舶）冶金（軋鋼機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等）能源控制礦業(yè)、石油家用電器（變頻空調(diào)等）航空航天（航空電源,風(fēng)洞試驗(yàn)）市政（供水通風(fēng)）

關(guān)于技術(shù)創(chuàng)新：新的電路原理或結(jié)構(gòu)技術(shù)綜合發(fā)展動(dòng)力：社會(huì)的需求為電力電子技術(shù)發(fā)展的牽引力現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)為電力電子技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。二、基本的變換方法AC/DCDC/ACDC/DCAC/ACAC/DC單相半波不控整流單相全波不控整流單相半控整流單相全控整流三相半控整流三相全控整流PWMRECTIFIER（電壓型，電流型）PFC整流電路。DC/AC可控硅有源逆變可關(guān)斷器件的電壓型無(wú)源逆變可關(guān)斷器件的電流型無(wú)源逆變諧振逆變電流型推挽逆變電壓型推挽逆變DC/DCBUCK變換器BOOST變換器BUCK/BOOST變換器CUK變換器兩象限斬波器四象限斬波器(高頻)變壓器隔離的上述變換器。AC/AC循環(huán)變頻器(周波變換器)矩陣變換器。三、諧振變換器零電壓開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)直直變換器零電流開(kāi)關(guān)直直變換器兩象限零電壓變換器諧振鏈逆變器。四、電流或電壓的補(bǔ)償方案。電壓補(bǔ)償方案。電流補(bǔ)償方案。五、三電平逆變器。六、應(yīng)用實(shí)例分析：不停電電源；電解電源；電鍍電源；電力牽引及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；開(kāi)關(guān)電源；蓄電池充電放電；直流供電；輔助電源；通訊電源；新型能源（光電池，風(fēng)力發(fā)電）的利用；其他的應(yīng)用。電解與電鍍電源；不停電電源電力傳動(dòng)及拖動(dòng)：電力機(jī)車(chē)，電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，礦井提升機(jī)，軋鋼機(jī)傳動(dòng)。特點(diǎn)：大功率，四象限運(yùn)行。主要技術(shù)關(guān)鍵：矢量控制，直接力矩控制，滑差控制。直流供電特點(diǎn)：大功率變換，濾波問(wèn)題。主要技術(shù)關(guān)鍵：可靠性及濾波柔性供電技術(shù)：提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)供電品質(zhì)潮流控制諧波及功率因數(shù)補(bǔ)償電壓跌落諧波及功率因數(shù)補(bǔ)償特點(diǎn)：大功率，高頻化，實(shí)時(shí)性。主要關(guān)鍵技術(shù)：實(shí)時(shí)控制，包括：諧波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制器的計(jì)算速度，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度。電源應(yīng)用：機(jī)車(chē)輔助電源微機(jī)及儀器儀表電源電源電解電鍍電源微弧氧化電源焊接電源航空電源不停電電源通訊電源感應(yīng)加熱。機(jī)車(chē)輔助電源直交型輔助電源交直交型輔助電源焊接電源

圖2第三種單端逆變電路

圖5焊接時(shí)輸出電流波形使用Tek公司A622電流探頭，比例為10mv/A

潔凈能源或可再生能源利用：風(fēng)能發(fā)電太陽(yáng)能發(fā)電潮汐發(fā)電生物能發(fā)電通訊電源特殊電源：電子模擬負(fù)載交流牽引電機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電力測(cè)功機(jī)水電解電源蓄電池充放電機(jī)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源電子模擬功率負(fù)載交流牽引電機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能四象限運(yùn)行零轉(zhuǎn)速時(shí)保持恒轉(zhuǎn)矩計(jì)算機(jī)集中控制及良好的人機(jī)接口各種參變量的實(shí)時(shí)采集測(cè)量試驗(yàn)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)電力測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)能量反饋饋網(wǎng)電流低諧波含量電流源控制特性控制器的人機(jī)接口功率測(cè)量精度：1％蓄電池充放電機(jī)逆變器疊加技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速輸入電壓6000V～10000V實(shí)現(xiàn)功率：數(shù)百千瓦以上高可靠性高效率便于維護(hù)（可不停機(jī)維護(hù)）系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)行在功率因數(shù)約等于1的工況下，并可以對(duì)電網(wǎng)上的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。開(kāi)關(guān)管上通過(guò)的都是方波，開(kāi)關(guān)損耗小，系統(tǒng)效率高。以DSP為主控芯片，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性及較快的響應(yīng)速度。采用集中分布式控制，具有很強(qiáng)的故障檢測(cè)和有功、無(wú)功及電量統(tǒng)計(jì)功能。每個(gè)H橋與系統(tǒng)為觸點(diǎn)式連接，可以在不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行局部的維護(hù)、維修?？梢酝ㄟ^(guò)增加H橋的數(shù)目提高輸出功率，在工程上易于實(shí)現(xiàn)大功率。系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，在局部開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)可正常工作。電壓等級(jí)較低，使開(kāi)關(guān)管具有較低的dv/dt值，開(kāi)關(guān)管及續(xù)流二極管上的損耗較小。電路原理

H橋的電原理圖及輸出波形七、電磁兼容國(guó)際諧波標(biāo)準(zhǔn)諧波及功率因數(shù)補(bǔ)償電力電子系統(tǒng)的電磁兼容；FACTS技術(shù)應(yīng)用。干擾問(wèn)題（主要干擾源）直流電機(jī)換向接觸器與繼電器開(kāi)合雷電浪涌靜電白熾燈大功率用電裝置啟動(dòng)抗干擾問(wèn)題濾波屏蔽接地主要電磁兼容試驗(yàn)雷擊浪涌試驗(yàn)靜電試驗(yàn)脈沖群試驗(yàn)

八、DC/DC高頻開(kāi)關(guān)變換器高頻的概念高頻開(kāi)關(guān)直－直變換器。直接變換器，波紋模型，濾波參數(shù)選擇間接變換器，波紋模型，濾波參數(shù)選擇連續(xù)與不連續(xù)運(yùn)行直接變換器與間接變換器的比較九、帶隔離變壓器的高頻開(kāi)關(guān)

直－直變換器。單端變換器半橋變換器混合橋式變換器全橋變換器推挽變換器電路分析應(yīng)用舉例十、諧振變換器諧振逆變器零電壓開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)零電壓（零電流）多象限逆變器。諧振鏈變換器十一、影響電力電子裝置或系 統(tǒng)可靠性的主要因素：器件質(zhì)量電路設(shè)計(jì)的合理性電磁干擾使用環(huán)境：潮濕度，振動(dòng)，溫度，大氣壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定性：控制器的參數(shù)選擇一般電力電子裝置的壽命，平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）十三、最新IEEE及其他文獻(xiàn)講評(píng)及問(wèn)題討論。脈沖整流器（或四象限變流器）電壓型電流型電壓型