電力電子學(xué) 第1章課件

1、電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)王議鋒 博士 / 講師教育經(jīng)歷：2001.092010.09：哈爾濱工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)研究經(jīng)歷：2003.072010.09：哈爾濱工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)研究所2010.09 至今： 天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究領(lǐng)域：先進(jìn)電力電子變換器拓?fù)?；電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)與新能源發(fā)電中的應(yīng)用；大功率照明電子及LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)。教學(xué)郵箱：郵箱：wayif_密碼：wayif1981tju2 /37 教 材電力電子技術(shù)王兆安 西安交通大學(xué)機(jī)械工業(yè)出版社電力電子學(xué)陳堅(jiān) 華中科技大學(xué)高等教育出版社3 /37 1.1 電力電子學(xué)科的形成1.2 電力電子變換和控

2、制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法 1.4 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性 1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域第1章 電力電子（變換與控制）技術(shù) 導(dǎo)論4 /37 1. 電力技術(shù)所用設(shè)備： 電機(jī) 開(kāi)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) 1.1 電力電子學(xué)科的形成5 /37 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) 2. 電子技術(shù)1.1 電力電子學(xué)科的形成6 /37 模擬（連續(xù)）控制技術(shù)。數(shù)字（離散）控制技術(shù)。自動(dòng)控制理論（

3、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。3. 控制技術(shù)1.1 電力電子學(xué)科的形成7 /37 4. 電力電子技術(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： 發(fā)電、輸電、配電、用電 中的電能變換與控制基礎(chǔ)理論： 電路 電磁場(chǎng) 控制理論 信號(hào)與系統(tǒng) 熱力學(xué)1.1 電力電子學(xué)科的形成8 /37 5. 典型的電力電子系統(tǒng)框圖1.1 電力電子學(xué)科的形成9 /37 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(wèn)世電子管問(wèn)世史前期（黎明期）水

4、銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代晶閘管時(shí)代IGBT出現(xiàn)功率集成器件6. 電力電子技術(shù)發(fā)展史1.1 電力電子學(xué)科的形成10 /37 1.1 電力電子學(xué)科的形成1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法 1.4 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性 1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域第1章 電力電子（變換與控制）技術(shù) 導(dǎo)論11 /37 公用電網(wǎng)的電能經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q和處理以后再供負(fù)載使用，可以獲得更好的技術(shù)特性和更大的經(jīng)濟(jì)意義： 節(jié)能： 風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速、照明（取代普通鎮(zhèn)流器） 省材：設(shè)備體積、重量減小使銅、鐵的使用量減少 環(huán)保：節(jié)能、省材是環(huán)保的具體表現(xiàn) 提高產(chǎn)品質(zhì)量和

5、勞動(dòng)生產(chǎn)率：提高供電可靠性、高速高精度電氣傳動(dòng) 提高電力系統(tǒng)自身的運(yùn)行質(zhì)量和穩(wěn)定性：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、柔性輸電、諧波治理、無(wú)功補(bǔ)償1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義12 /37 經(jīng)過(guò)變換處理后再供用戶(hù)使用的電能，占全國(guó)發(fā)電總量的百分比的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)家技術(shù)進(jìn)步的主要標(biāo)志之一；預(yù)計(jì)到20202030年，美國(guó)發(fā)電站生產(chǎn)的全部電能都將經(jīng)變換和處理后再供負(fù)載使用；2003年美國(guó)制定了“國(guó)家電力傳輸路線圖”計(jì)劃，電力電子被列為5大關(guān)鍵技術(shù)之一；電力電子技術(shù)還是近年來(lái)受到各國(guó)關(guān)注的智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一；風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的利用幾乎都離不開(kāi)電力電子技術(shù)的支撐；1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)

6、意義13 /37 1.1 電力電子學(xué)科的形成1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法 1.4 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性 1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域第1章 電力電子（變換與控制）技術(shù) 導(dǎo)論14 /37 電源可分為兩類(lèi)： 直流電 / DC，頻率f = 0 交流電 / AC，頻率f 0電力變換按電壓/電流的大小、波形及頻率變換劃分為四類(lèi)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(lèi)基本變換可以組合成許多復(fù)合型電力變換器。 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法15 /37 傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟姡?1.3 開(kāi)關(guān)型

7、電力電子變換基本原理及控制方法16 /37 傳統(tǒng)電力技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)交流電頻率的變換？ 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法17 /37 如何用電力電子開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？ 圖中的開(kāi)關(guān)設(shè)為理想開(kāi)關(guān) vo= Svi S 為開(kāi)關(guān)函數(shù) 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法18 /37 PWM、PFM及復(fù)合控制 PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制技術(shù)： 方波頻率 f 不變，高電平所占比例（占空比 D）根據(jù)需要調(diào)節(jié)。 PFM（Pulse Frequency Modulation）脈沖頻率調(diào)制技術(shù)： 方波高電平時(shí)間 ton 不變，方波頻率 f 根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

8、 復(fù)合控制：方波頻率 f 和高電平時(shí)間 ton 均可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。PWM控制PFM控制 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法19 /37 PWM控制的基本原理 PWM控制技術(shù)重要理論基礎(chǔ)面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 沖量窄脈沖的面積 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法20 /37 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1. DC/DC 直流變換電路（降壓） 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法21 /37 1. DC/DC 直流變換電路（升壓）工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合調(diào)

9、制）分析方法：傅里葉分解 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法22 /37 2. AC/DC 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(wèn)題：開(kāi)關(guān)時(shí)刻、 濾波 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法23 /37 工作方式：方波、PWM波分析方法：傅立葉分解 、積分考慮問(wèn)題：開(kāi)關(guān)時(shí)刻、 濾波3. DC/AC 逆變電路 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法24 /37 工作方式：周期控制分析方法：等效考慮問(wèn)題：開(kāi)關(guān)時(shí)刻4. AC/AC 直接變頻、變壓電路 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法25 /37 對(duì)于大部分電力電子變換器而言： 基本原理：開(kāi)關(guān)

10、器件 + 電感（L）電容（C）等儲(chǔ)能元件控制方法：相控、斬波（PWM、PFM、復(fù)合控制）分析方法：傅立葉分解 、積分、等效考慮問(wèn)題：開(kāi)關(guān)時(shí)刻、開(kāi)關(guān)過(guò)程、濾波 1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法26 /37 1.1 電力電子學(xué)科的形成1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法 1.4 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性 1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域第1章 電力電子（變換與控制）技術(shù) 導(dǎo)論27 /37 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的核心部分是：開(kāi)關(guān)電路；在開(kāi)關(guān)型電力電子變換電路的輸入、輸出端附加濾波電路（通常為L(zhǎng)C濾波器），以改善輸出電壓和輸入電流

11、的波形；高頻PWM控制是改善開(kāi)關(guān)電路輸入電流波形、輸出電壓最有效的技術(shù)措施（頻率的提高使濾波電路尺寸大幅度降低）；常用分析方法狀態(tài)空間平均法，積分，傅立葉變換； 1.4 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性28 /37 分析電力電子電路時(shí)注意以下因素： 開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)刻及過(guò)程；電感電流及電容電壓；節(jié)點(diǎn)電壓；諧振器件的工作過(guò)程。 1.4 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性29 /37 第1章 電力電子（變換與控制）技術(shù) 導(dǎo)論1.1 電力電子學(xué)科的形成1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 開(kāi)關(guān)型電力電子變換基本原理及控制方法 1.4 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性 1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換

12、器的應(yīng)用領(lǐng)域30 /37 開(kāi)關(guān)型電力電子變換電源 AC/DC 整流 DC/DC 直接直流變換 DC/AC 逆變 AC/AC直接交流變換 開(kāi)關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域31 /37 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(lèi)高性能的不間斷供電電源(UPS，Uninterruptible Power Supply)各類(lèi)恒頻、恒壓通用逆變電源1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域32 /37 照明燈具用的高頻電力電子變換器(電子鎮(zhèn)流器)各類(lèi)低壓直流開(kāi)關(guān)電源蓄電池充電電源中頻

13、或高頻感應(yīng)加熱電源大功率脈沖電源、激光電源燃料電池或太陽(yáng)能光-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的恒壓直流或恒頻、恒壓交流電源超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能、磁懸浮運(yùn)載工具等高壓特大容量的電力電子變換電源1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域33 /37 1. 電機(jī)傳動(dòng)FilterTrans.AC/DCFilterDC/ACFilterSourceLoad1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域34 /37 未包含：反饋信號(hào)采集 + 控制電路 + 驅(qū)動(dòng)電路 + 輔助電源電壓、電流（有功功率、無(wú)功功率）補(bǔ)償控制器阻抗補(bǔ)償控制器2. 開(kāi)關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器1.5 開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域35 /37 內(nèi)容涵蓋面寬，新知識(shí)、新概念多、實(shí)踐性強(qiáng)。需要善于歸納總結(jié)。電力電子學(xué)內(nèi)容主要包括： 電力電子器件、電力電子電路（各類(lèi)變換器）、電力電子應(yīng)用系統(tǒng)（裝置）三大部分，本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在電力電子電路。功率器件主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以功率器件為主構(gòu)成的電路是一個(gè)離散的、非線性電路。學(xué)習(xí)中應(yīng)重點(diǎn)掌握電路定性的基本概念、善于利用波形圖分析電路的特性，理解必要的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。電路中功