电力电子学陈坚第一章.ppt

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1、第1章 电力电子变换和控制技术导论 1电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈陈 坚坚 编著编著华中科技大学华中科技大学2第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论1.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4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基本特性1.5 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器的应用领域第1章 电力电子变换和控制技术导

2、论 3第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论1.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4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基本特性1.5 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器的应用领域第1章 电力电子变换和控制技术导论 4电力电子学科的形成电力电子学科的形成第1章 电力电子变换和控制技术导论 1.电力技术电力技术所用设备：所用设备：电机电机 开

3、关开关 变压器变压器 电感电感 电容电容 输电线输电线完成功能：完成功能：发电发电 输电输电 配电配电 用电用电基础理论：基础理论：电路电路 磁路磁路 电磁场电磁场 5电力电子学科的形成电力电子学科的形成第1章 电力电子变换和控制技术导论 2.电子技术电子技术所用器件：所用器件：晶体管晶体管 场效应管场效应管 集成电路集成电路 微处理器微处理器 电感电感 电容电容完成功能：完成功能：信号产生、变换、存储、信号产生、变换、存储、发送、接受发送、接受基础理论：基础理论：电路电路 磁路磁路 电磁场电磁场 3.控制技术控制技术模拟（连续）控制技术。数字（离散）控制技术。理论与技术的进步，促使数字控制技

4、术越来越多取代模拟控制技术。例：变频器控制技术的发展史。自动控制理论（含经典和现代）、现代电机控制理论等等，是促进电力电子技术不断发展的源泉之一。7电力电子学科的形成电力电子学科的形成第1章 电力电子变换和控制技术导论.电力电子技术电力电子技术所用器件：所用器件：晶体管晶体管 场效应管场效应管 集成电路集成电路 微处理器微处理器 电感电感 电容电容完成功能：完成功能：发电发电 输电输电 配电配电 用电用电 中的电能变换与控制中的电能变换与控制基础理论：基础理论：电路电路 磁路磁路 电磁场电磁场 典型的电力电子系统框图 返回本节9电力电子学科的形成电力电子学科的形成第1章 电力电子变换和控制技术

5、导论 4.电力电子技术发展史电力电子技术发展史电力电子技术的发展史以电力电子器件的发展史为纲1904193019471958197019801990 2000t(年)全控型器件迅速发展晶体管诞生晶闸管问世电子管问世史前期（黎明期）水银（汞弧）整流器时代晶闸管时代IGBT出现功率集成器件5.电力电子学的特点电力电子学的特点内容涵盖面宽，新知识、新概念多、实践性强。需要善于归纳总结。电力电子学内容主要包括：电力电子器件、电力电子电路（各类变换器）、电力电子应用系统（装置）三大部分，本课程学习的重点在电力电子电路。功率器件主要工作在开关状态，以功率器件为主构成的电路是一个离散的、非线性电路。学习中应

6、重点掌握电路定性的基本概念、善于利用波形图分析电路的特性，理解必要的数学推导。电路中功率器件的开关过渡过程是学习的难点，应逐步适应其分析方法。11第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论1.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4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基本特性1.5 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器的应用领域第1章 电力电子变换和

7、控制技术导论 121.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义第1章 电力电子变换和控制技术导论 公用电网的电能经过适当的变换和处理以后再供负载公用电网的电能经过适当的变换和处理以后再供负载使用，可以获得更好的技术特性和更大的经济意义：使用，可以获得更好的技术特性和更大的经济意义：节能节能风机、水泵的调速、照明（取代普通镇流器）省材省材设备体积、重量减小使铜、铁的使用量减少环保环保节能、省材是环保的具体表现提高产品质量和劳动生产率提高产品质量和劳动生产率提高供电可靠性、高速高精度电气传动提高电力系统自身的运行质量和稳定性提高电力系统自身的运行质量和稳定性发电

8、机励磁、柔性输电、谐波治理、无功补偿131.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义第1章 电力电子变换和控制技术导论 l经过变换处理后再供用户使用的电能，占全国发电总量的百分比的高低，已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一；l预计到20202030年，美国发电站生产的全部电能都将经变换和处理后再供负载使用；l2003年美国制定了“国家电力传输路线图”计划，电力电子被列为5大关键技术之一；l电力电子技术还是近年来受到各国关注的智能电网的关键技术之一；l风能、太阳能等新能源的利用几乎都离不开电力电子技术的支撑；141.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学

9、科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4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基本特性1.5 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器的应用领域第1章 电力电子变换和控制技术导论 第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论15开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法第1章 电力电子变换和控制技术导论 l电源可分为两类：直流电（D.C），频率f=0 交流电（A.C）

10、，频率f0l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。l这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器16传统电力技术如何将交流电变为直流电？传统电力技术如何将交流电变为直流电？第1章 电力电子变换和控制技术导论 17传统电力技术如何实现交流电频率的变换？传统电力技术如何实现交流电频率的变换？第1章 电力电子变换和控制技术导论 18如何用电力电子开关器件实现电能的变换？如何用电力电子开关器件实现电能的变换？第1章 电力电子变换和控制技术导论 图中的开关设为理想开关图中的开关设为理想开关 vo=Svi S为开关函数为开关函数 191.AC/D

11、C1.AC/DC基本基本整流整流电路电路工作方式：相控、斩波分析方法：傅立叶分解、积分考虑问题：开关时刻、滤波第1章 电力电子变换和控制技术导论 202.DC/AC2.DC/AC基本基本逆变逆变电路电路工作方式：方波、PWM波分析方法：傅立叶分解、积分考虑问题：开关时刻、滤波第1章 电力电子变换和控制技术导论 213.AC/AC3.AC/AC直接直接变频变频、变压变压电路电路工作方式：周期控制分析方法：等效考虑问题：开关时刻第1章 电力电子变换和控制技术导论 224.4.DC/DCDC/DC直接变换电路（直接变换电路（降压降压）工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合调制）分析方法：傅里叶分

12、解第1章 电力电子变换和控制技术导论 235.5.DC/DCDC/DC直接变换电路（直接变换电路（升压升压）第1章 电力电子变换和控制技术导论 241.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4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基本特性1.5 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器的应用领域第1章 电力电子变换和控制技术导论 第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变

13、换和控制技术导论25第1章 电力电子变换和控制技术导论 l开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路开关电路l在开关型电力电子变换电路的输入、输出端附加在开关型电力电子变换电路的输入、输出端附加滤波电路滤波电路（通常为（通常为LCLC滤波器），以改善输出电压和输入电流的波形滤波器），以改善输出电压和输入电流的波形l高频高频PWMPWM控制是改善开关电路输入电流波形、输出电压最有控制是改善开关电路输入电流波形、输出电压最有效的技术措施（频率的提高使滤波电路尺寸大幅度降低）效的技术措施（频率的提高使滤波电路尺寸大幅度降低）l为使电力电子开关电路的输出电压接近理

14、想的直流或正弦为使电力电子开关电路的输出电压接近理想的直流或正弦交流，一般应交流，一般应对称地安排对称地安排一个周期中不同的开关状态及持一个周期中不同的开关状态及持续时间续时间l常用分析方法常用分析方法状态空间平均法，积分，傅立叶变换状态空间平均法，积分，傅立叶变换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基本特性261.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4开关型电力电子变换器的基本特性开关型电力

15、电子变换器的基本特性1.5 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器的应用领域第1章 电力电子变换和控制技术导论 第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论27开关型电力电子变换器的应用领域开关型电力电子变换器的应用领域第1章 电力电子变换和控制技术导论 l开关型电力电子变换电源开关型电力电子变换电源l开关型电力电子补偿控制器开关型电力电子补偿控制器28开关型电力电子变换电源开关型电力电子变换电源第1章 电力电子变换和控制技术导论 l电力系统中的直流远距离输电电力系统中的直流远距离输电l直流电动机变速传动控制直流电动机变速传动控制l交流电动机变速传动控

16、制交流电动机变速传动控制l变速恒频发电系统变速恒频发电系统l电电解解、电电镀镀等等应应用用领领域域中中的的低低压压大大电电流流可可控直流电源。控直流电源。l各各类类高高性性能能的的不不间间断断供供电电电电源源(UPS(UPS，Uninterruptible Power Supply)Uninterruptible Power Supply)l各类恒频、恒压通用逆变电源各类恒频、恒压通用逆变电源29开关型电力电子变换电源开关型电力电子变换电源第1章 电力电子变换和控制技术导论 l照明灯具用的高频电力电子变换器照明灯具用的高频电力电子变换器(电子镇流器电子镇流器)l各类低压直流开关电源各类低压直流

17、开关电源l蓄电池充电电源蓄电池充电电源l中频或高频感应加热电源中频或高频感应加热电源l大功率脉冲电源、激光电源大功率脉冲电源、激光电源l燃料电池或太阳能光燃料电池或太阳能光-电转换系统输出的恒压直电转换系统输出的恒压直流或恒频、恒压交流电源流或恒频、恒压交流电源l超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量的电力电子变换电源的电力电子变换电源电机传动31开关型电力电子补偿控制器开关型电力电子补偿控制器第1章 电力电子变换和控制技术导论 p电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器p阻抗补偿控制器32第1章 电力电子变换和控制技术导论 对图（a）示开关电路

18、中的四个开关器件进行实时、适式的高频通、断控制，可以由变换器的输出端得到所需要的、任意波形的周期性或非周期电压或电流。将此变换器的输出电压串接在电力线路上即可补偿和调控电网线路电压，改变线路电流；将此变换器输出的电流并联接入电网，即可补偿负载电流或控制电网电流。从而调控系统有功和（或）无功功率。串联、并联补偿器都能显著地改善电力系统的运行特性和运行经济性。电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器33第1章 电力电子变换和控制技术导论 将图（b）所示的电感、电容或电阻经一个可控的开关器件S并联接入或串联接入交流电网就构成了一个阻抗补偿控制器。对开关器件进行实时、适式的通、断控制，就可以改变电网的等效负载阻抗或等效线路阻抗，从而补偿控制电网、负载的电压、电流、功率。阻抗补偿控制器阻抗补偿控制器34课程学习要求课程学习要求第1章 电力电子变换和控制技术导论 p掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术p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p掌握常用的电力电子变换电路的分析方法p了解电力电子变换器的应用领域p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