第01章 電力電子變換及控制技術導論

1、Page 12022年2月15日星期二Application technology of Power Electronics江南大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院Application technology of Power Electronics電力電子學電力電子變換和控制技術（第二版）第第 1 1 章章電力電子變換和控制技術導電力電子變換和控制技術導論論Page 32022年2月15日星期二1 1 電力電子變換和控制技術導論電力電子變換和控制技術導論1.1 1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經(jīng)濟意義電力電子變換和控制的技術經(jīng)濟意義1.3 1.3 開關型電

2、力電子變換的基本原理及控制方法開關型電力電子變換的基本原理及控制方法1.4 1.4 開關型電力電子變換器基本特性開關型電力電子變換器基本特性1.5 1.5 開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子變換器的應用領域課程學習要求課程學習要求Page 42022年2月15日星期二1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.1.電力技術電力技術2.2.電子技術電子技術3.3.電力電子技術電力電子技術Page 52022年2月15日星期二1.1 電力電子學科的形成（續(xù)電力電子學科的形成（續(xù)1）電力技術是一門涉及發(fā)電、電力技術是一門涉及發(fā)電、輸電、配電及電力應用的輸電、配電及電力應用的科學技術?？?/p>

3、學技術。利用電磁學利用電磁學(電路、磁路、電路、磁路、電場、磁場的基本原理電場、磁場的基本原理)，處理發(fā)電、輸配電及電力處理發(fā)電、輸配電及電力應用的技術統(tǒng)稱電力技術。應用的技術統(tǒng)稱電力技術。 1.電力技術電力技術Page 62022年2月15日星期二1.1 電力電子學科的形成（續(xù)電力電子學科的形成（續(xù)2）電子技術又稱為電子技術又稱為電子學電子學，它是與，它是與電子器件、電子電路以及電子設電子器件、電子電路以及電子設備和系統(tǒng)有關的科學技術。備和系統(tǒng)有關的科學技術。電子技術是研究電子器件，以及電子技術是研究電子器件，以及利用電子器件來處理電子電路中利用電子器件來處理電子電路中電信號的產(chǎn)生、變換、處

4、理、存電信號的產(chǎn)生、變換、處理、存儲、發(fā)送和接收問題。儲、發(fā)送和接收問題。又稱為信息電子技術或信息電子又稱為信息電子技術或信息電子學。學。 2.電子技術電子技術Page 72022年2月15日星期二1.1 電力電子學科的形成（續(xù)電力電子學科的形成（續(xù)3）也稱為也稱為電力電子學電力電子學。利用利用電力電子開關器件電力電子開關器件組成電力開關電路，利用組成電力開關電路，利用集成電路和微處理器集成電路和微處理器構(gòu)成構(gòu)成信號處理和控制系統(tǒng)，對電力開關電路進行實時、適式的控制，經(jīng)濟有效信號處理和控制系統(tǒng)，對電力開關電路進行實時、適式的控制，經(jīng)濟有效地實現(xiàn)地實現(xiàn)開關模式的電力變換和電力控制開關模式的電力變

5、換和電力控制，包括電壓（電流）的大小、頻率、，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。相位和波形的變換和控制。是綜合了電子技術、控制技術和電力技術的新興交叉學科。是綜合了電子技術、控制技術和電力技術的新興交叉學科。電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件電力電子器件的發(fā)展史為綱的發(fā)展史為綱3.電力電子技術電力電子技術(Power Electronics)Page 82022年2月15日星期二1.1 電力電子學科的形成（續(xù)電力電子學科的形成（續(xù)4）典型的電力電子系統(tǒng)框圖典型的電力電子系統(tǒng)框圖 3.電力電子技術電力電子技術(Power Electronics)Pa

6、ge 92022年2月15日星期二1.2 電力電子變換和控制的技術經(jīng)濟意義電力電子變換和控制的技術經(jīng)濟意義為了滿足一定的生產(chǎn)工藝和流程的要求，供電電源的電壓、頻率甚至波形為了滿足一定的生產(chǎn)工藝和流程的要求，供電電源的電壓、頻率甚至波形都必須滿足各種用電設備的不同要求。都必須滿足各種用電設備的不同要求。將發(fā)電廠生產(chǎn)的單一頻率和電壓的電能變換為各個用電設備最佳工況所需將發(fā)電廠生產(chǎn)的單一頻率和電壓的電能變換為各個用電設備最佳工況所需要的另一種特性和參數(shù)要的另一種特性和參數(shù)(頻率、電壓、相位和波形頻率、電壓、相位和波形)的電能，再供負載使用，的電能，再供負載使用，用電設備可以獲得更好的技術特性和更大的

7、經(jīng)濟效益。用電設備可以獲得更好的技術特性和更大的經(jīng)濟效益。Page 102022年2月15日星期二1.1.電力變換的類型電力變換的類型2.2.交流機組實現(xiàn)電力變換交流機組實現(xiàn)電力變換3.3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理1.3 開關型電力電子變換的基本原理及控制方法開關型電力電子變換的基本原理及控制方法Page 112022年2月15日星期二1.電力變換的類型電力變換的類型電源可分為兩類：電源可分為兩類：直流電（直流電（D.C） ，頻率，頻率f=0交流電（交流電（A.C） ，頻率，頻率f 0電力變換按電壓電力變換按電壓(電流電流)的大的大小、波形及頻率變換

8、劃分為小、波形及頻率變換劃分為四類基本變換及相應的四種四類基本變換及相應的四種電力變換電路或電力變換器。電力變換電路或電力變換器。這四類基本變換可以組合成這四類基本變換可以組合成許多復合型電力變換器許多復合型電力變換器Page 122022年2月15日星期二2.交流機組實現(xiàn)電力變換交流機組實現(xiàn)電力變換傳統(tǒng)電力技術如何將交流電變?yōu)橹绷麟?？傳統(tǒng)電力技術如何將交流電變?yōu)橹绷麟?？基本原理基本原理缺點缺點Page 132022年2月15日星期二2.交流機組實現(xiàn)電力變換交流機組實現(xiàn)電力變換(續(xù)續(xù)1) 傳統(tǒng)電力技術如何將一種頻率的交流電變?yōu)榱硪环N頻率的交傳統(tǒng)電力技術如何將一種頻率的交流電變?yōu)榱硪环N頻率的交流

9、電？流電？基本原理基本原理缺點缺點Page 142022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理 如何用電力電子開關器件實現(xiàn)電能的變換？如何用電力電子開關器件實現(xiàn)電能的變換？基本原理基本原理圖中的開關設為圖中的開關設為理想開關理想開關 vo= Svi S為為開關函數(shù)開關函數(shù) Page 152022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)1)如何用電力電子開關器件實現(xiàn)電能的變換？DC/DC直流降壓直流降壓電路電路Page 162022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利

10、用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)2)方案一方案一: 電阻降壓電阻降壓Page 172022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)3)方案二方案二: 串聯(lián)晶體管串聯(lián)晶體管Page 182022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)4)方案三方案三: 串聯(lián)單刀雙擲開關串聯(lián)單刀雙擲開關,理想開關理想開關,無損耗無損耗Page 192022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)5)DTosDDVdttvTVs00)(1方案三

11、方案三: 串聯(lián)單刀雙擲開關串聯(lián)單刀雙擲開關,理想開關理想開關,無損耗無損耗開關周期開關占空比sTDPage 202022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)6)方案三方案三:串聯(lián)單刀雙擲開關串聯(lián)單刀雙擲開關,理想開關理想開關,無損耗無損耗串聯(lián)串聯(lián)LC, 濾出諧波濾出諧波, 濾波器的截止頻率濾波器的截止頻率開關頻率開關頻率Page 212022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)7)BUCK電路電路方案三方案三:串聯(lián)單刀雙擲開關串聯(lián)單刀雙擲開關,理想開關理想開關,無損耗無損耗增

12、加控制回路增加控制回路Page 222022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)8)工作方式工作方式相控、斬波相控、斬波分析方法分析方法傅立葉分解傅立葉分解 、積分、積分考慮問題考慮問題開關時刻、開關時刻、 濾波濾波AC/DC基本整流電路基本整流電路Page 232022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)9)工作方式工作方式方波、方波、PWM波波分析方法分析方法傅立葉分解傅立葉分解 考慮問題考慮問題開關時刻、開關時刻、 濾波濾波DC/AC基本逆變電路基本逆變電路Page 2

13、42022年2月15日星期二3.利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關器件實現(xiàn)電力變換的基本原理(續(xù)續(xù)10)工作方式工作方式周期控制周期控制分析方法分析方法等效法等效法 考慮問題考慮問題開關時刻開關時刻AC/AC直接變頻、變壓直接變頻、變壓電路電路Page 252022年2月15日星期二1.4 開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的核心部分是一組開關電路開關型電力電子變換器的核心部分是一組開關電路輸出、輸入端附加、濾波器，可以改善輸出電壓和輸入電輸出、輸入端附加、濾波器，可以改善輸出電壓和輸入電流波形流波形通常采用開關周期平均值（狀態(tài)空間平均法）

14、和傅立葉級通常采用開關周期平均值（狀態(tài)空間平均法）和傅立葉級數(shù)分析其工作特性數(shù)分析其工作特性電力電子變換電路中的電壓、電流周期性時間函數(shù)電力電子變換電路中的電壓、電流周期性時間函數(shù) v(t)=v(t+T)、i(t)=i(t+T)往往具有對稱性往往具有對稱性Page 262022年2月15日星期二1.5 開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子變換器的應用領域q開關型電力電子變換電源開關型電力電子變換電源q開關型電力電子補償控制器開關型電力電子補償控制器Page 272022年2月15日星期二電機傳動電機傳動Page 282022年2月15日星期二NASA 風洞風洞Page 292022年2月15日星期二富士高速機車富士高速機車Page 302022年2月15日星期二新能源發(fā)電新能源發(fā)電Page 312022年2月15日星期二未來電力系統(tǒng)未來電力系統(tǒng)Page 322022年2月15日星期二課程學習要求課程學習要求掌握典型電力半導體器件的運行特性和應用技術