《電力電子技術(shù)（第二版） 》 課件 項目一 電力電子概論

項目一電力電子概論【學(xué)習(xí)目標(biāo)】知識目標(biāo)（1）能說出電力電子技術(shù)的基本概念（2）能說出電力電子技術(shù)的發(fā)展情況（3）能說出電力電子變流電路的類型和應(yīng)用場合能力目標(biāo)（1）能根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的變流電路（2）會用仿真軟件搭建簡單的仿真電路素養(yǎng)目標(biāo)（1）培養(yǎng)利用信息化手段獲取處理和使用技術(shù)資料的能力（2）培養(yǎng)良好的團(tuán)隊精神和溝通協(xié)調(diào)能力提問：1生活用電電壓是多少？交流電還是直流電？

2手機(jī)電池充電電壓是多少？交流電還是直流電？5V左右，直流充電生活生產(chǎn)中常用到不同電壓電流的電源，那么如何實現(xiàn)電源之間的相互轉(zhuǎn)換？220V交流電任務(wù)1認(rèn)識電力電子技術(shù)【項目引入】在生產(chǎn)生活中，經(jīng)常會遇到需要進(jìn)行電能變換的場合：如供電電源一定，而不同的用電器有些需要交流，有些需要直流，有些則對電源電壓、電流或頻率有特殊要求。電力電子技術(shù)就是專門用于實現(xiàn)電能的有效變換和控制的一門學(xué)科。1.1了解電力電子技術(shù)的定義與發(fā)展信息電子技術(shù)——信息處理電力電子技術(shù)——電力變換電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的技術(shù)。電力電子技術(shù)包括電力電子器件、電路和控制三部分，其中電力電子器件是基礎(chǔ)和核心。電力電子技術(shù)變換的“電力”可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。電力電子學(xué)(PowerElectronics)，該名稱20世紀(jì)60年代出現(xiàn)。1974年，美國Dr.Newell用圖1的倒三角形對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。圖1-1電力電子技術(shù)與其他學(xué)科的關(guān)系1.1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展概況電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世(電力電子元年)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生1.1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展概況1.第一代電力電子器件

第一代電力電子器件是半控器件，最早問世的晶閘管是第一代電力電子器件。快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、雙向晶閘管(TRIAC）、不對稱晶閘管（ASCR）等等均為其衍生器件。2.第二代電力電子器件

第二代電力電子器件具有自關(guān)斷能力,器件有電力晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力場控晶體管（功率MOSFET）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、MOS控制晶閘管（MCT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。3.第三代電力電子器件

電力電子器件的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊化是今后電力電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。1.2認(rèn)識電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子變流電路是以電力半導(dǎo)體器件為核心，通過不同電路的拓?fù)浜涂刂品椒▉韺崿F(xiàn)對電能的轉(zhuǎn)換和控制。主要有以下幾種類型：可控整流：把交流電壓變換成為固定或可調(diào)的直流電壓。有源逆變：把直流電壓變換成為頻率固定或可調(diào)的交流電壓。交流調(diào)壓：把交流電壓變?yōu)殡妷捍笮】烧{(diào)或固定的交流電壓。變頻（周波變換）：把固定或變化頻率的交流電變換成頻率可調(diào)的或恒定的交流電。直流斬波：把固定或變化的直流電壓變化成為可調(diào)或固定的直流電壓。1.1.2認(rèn)識電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖1-2電能形式變換的四大類型示意圖軋鋼機(jī)冶金工業(yè)電解鋁1）工礦企業(yè)2）家用電器3）交通及運(yùn)輸4）電力系統(tǒng)配電網(wǎng)svc型靜止無功補(bǔ)償裝置高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS5）航空航天和軍事UPS（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply，不間斷電源）航天技術(shù)新型能源1.2認(rèn)識電力電子技術(shù)的應(yīng)用6）通信工業(yè)交換機(jī)電子裝置大電流升流器計算機(jī)電源任務(wù)1.2認(rèn)識MATLAB/Simulink仿真軟件2.1了解MATLAB/Simulink仿真軟件MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）的縮寫，MATLAB的集成開發(fā)環(huán)境可應(yīng)用于數(shù)學(xué)統(tǒng)計與優(yōu)化、控制系統(tǒng)、信號處理與通信、圖像處理與計算機(jī)視覺、計算機(jī)金融和計算機(jī)生物等多個領(lǐng)域。MATLAB具有以下幾個特點(diǎn)：1.運(yùn)算功能強(qiáng)大2.編程效率高3.強(qiáng)大而智能化的作圖功能4.Simulink動態(tài)仿真功能5.功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)1.2.2了解MATLAB/Simulink仿真軟件基本操作方法圖1-3MATLAB開發(fā)環(huán)境的工作界面1.2.3認(rèn)識MATLAB/Simulink仿真軟件電器元件庫圖1-4模塊庫瀏覽器1.2.3認(rèn)識MATLAB/Simulink仿真軟件電器元件庫圖1-5SimPowerSystems模塊庫1.2.3認(rèn)識MATLAB/Simulink仿真軟件電器元件庫SeriesRLCbranch模塊：SeriesRLCbranch模塊是RLC負(fù)載，在SimPowerSystems模塊庫中的Elements子模塊庫，雙擊該模塊可以打開設(shè)置參數(shù)的窗口。圖1-6SeriesRLCbranch模塊的參數(shù)設(shè)置界面【例1-1】創(chuàng)建一個簡單的電路模型，采用示波器(Scope)觀察電路中電壓電流輸出波形。1.創(chuàng)建空白模塊2.添加模塊3.添加信號線元件名稱提取路徑直流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch用戶界面分析模塊Powergui表1-1仿真模塊提取路徑圖1-7仿真模型圖4.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1)電源DCVoltagesource：電壓設(shè)置為100V。(2)電阻負(fù)載：負(fù)載為純電阻，電阻值為10Ω。(3)示波器：雙擊示波器模塊，點(diǎn)擊第二個圖標(biāo)Parameters，設(shè)置Numberofaxes為2，如圖1-8所示。(4)電壓表與電流表：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。5.設(shè)置仿真參數(shù)圖1-9仿真參數(shù)設(shè)置圖6.運(yùn)行仿真模型運(yùn)行仿真模型，單擊模型窗口工具欄中的圖標(biāo)，或者選擇菜單“Simulation”→“Start”，開始仿真，Simulink默認(rèn)的仿真時間是10s。然后雙擊模型窗口中的“Scope”模塊，則出現(xiàn)示波器顯示

圖1-10示波器圖示1.1.3搭建簡單仿真電路【例1-2】建立如圖所示的感應(yīng)電機(jī)的等效電路，輸入的交流電壓源為220V，50Hz，電路中R1=0.428Ω，L1=L2=1.926mH，R2=1.551Ω，R3=1.803Ω，L3=31.2mH。采用示波器觀察其輸出電路電壓和電流波形。圖1-11感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch用戶界面分析模塊Powergui表1-2仿真模塊提取路徑2.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：1）電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為220V，頻率設(shè)為50Hz。2）電阻負(fù)載：負(fù)載為RL串聯(lián)電路，根據(jù)題目要求設(shè)定各個電阻電感值。3）示波器：雙擊示波器模塊，點(diǎn)擊第二個圖標(biāo)Parameters，設(shè)置Numberofaxes為2。4）電壓表與電流表：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。3.設(shè)置仿真參數(shù)由于電源頻率是50Hz，因此設(shè)置仿真時間為0.06s，可以使用默認(rèn)的ode45法。4.波形分析

從上到下分別是負(fù)載電流Id、負(fù)載電壓Ud波形?？梢钥闯?，仿真波形符合理論結(jié)果?？梢詮臋M坐標(biāo)上看到仿真模型運(yùn)行的時間，從縱坐標(biāo)上看到具體數(shù)值。圖1-12感應(yīng)電機(jī)的輸出波形圖

圖1-13動態(tài)電路模型1.參考電路圖建模該系統(tǒng)由交流電流源、電阻電感負(fù)載、開關(guān)、觸發(fā)信號等組成，根據(jù)電路圖搭建的仿真模型如圖1-13所示，各模塊的提取路徑如表1-3所示。元件名稱提取路徑交流電流源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACCurrentsource示波器Simulink/Sinks/Scope電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch開關(guān)SimPowerSystems/Elements/Breaker觸發(fā)信號Simulink/Sources/Step用戶界面分析模塊Powergui表1-2仿真模塊提取路徑1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑交流電流源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACCurrentsource示波器Simulink/Sinks/Scope電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch開關(guān)SimPowerSystems/Elements/Breaker觸發(fā)信號Simulink/Sources/Step用戶界面分析模塊Powergui表1-2仿真模塊提取路徑2.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：1)電流源ACCurrentsource：Simullink沒有專門的直流電流源，因此使用交流電流源(ACCurrentsource)將其相角（Phase）設(shè)置為90，頻率（Frequ