教學(xué)《電力電子技術(shù)》(第2版)南余榮

教學(xué)《電力電子技術(shù)》(第2版)南余榮目錄contents課程介紹與教學(xué)目標(biāo)電力電子器件整流電路逆變電路直流-直流變流電路交流-交流變流電路PWM控制技術(shù)電力電子裝置與系統(tǒng)01課程介紹與教學(xué)目標(biāo)《電力電子技術(shù)》是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要課程，主要研究電力電子器件、電力電子電路和電力電子系統(tǒng)的分析、設(shè)計、制造和應(yīng)用。課程內(nèi)容包括電力電子器件的工作原理、特性和應(yīng)用，電力電子電路的分析和設(shè)計方法，以及電力電子系統(tǒng)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握電力電子技術(shù)的基本理論、基本知識和基本技能，為從事電氣工程及其自動化領(lǐng)域的研究、設(shè)計、制造和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。《電力電子技術(shù)》課程簡介掌握電力電子器件的工作原理、特性和應(yīng)用，了解新型電力電子器件的發(fā)展趨勢。了解電力電子系統(tǒng)的基本組成和應(yīng)用領(lǐng)域，能夠分析和解決簡單的電力電子系統(tǒng)問題。教學(xué)目標(biāo)與要求掌握電力電子電路的基本分析方法和設(shè)計方法，能夠分析和設(shè)計簡單的電力電子電路。培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和工程實踐能力。《電力電子技術(shù)》(第2版)，南余榮主編，機(jī)械工業(yè)出版社。教材《電力電子技術(shù)基礎(chǔ)》、《現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用》、《電力電子系統(tǒng)分析與設(shè)計》等。參考書目教材及參考書目02電力電子器件工作原理利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦蕴匦猿惺芨唠妷汉痛箅娏鳎瑢?dǎo)通壓降小，開關(guān)速度快不可控器件應(yīng)用整流電路、續(xù)流電路等工作原理通過門極觸發(fā)導(dǎo)通，一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用不可控器件承受高電壓和大電流，導(dǎo)通壓降小，但關(guān)斷需要外部電路配合特性可控整流電路、交流調(diào)壓電路等應(yīng)用不可控器件通過基極電流控制集電極電流，實現(xiàn)放大和開關(guān)功能承受高電壓和大電流，開關(guān)速度快，但驅(qū)動電路復(fù)雜半控型器件特性工作原理應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動、逆變電路等工作原理通過門極負(fù)脈沖使其關(guān)斷半控型器件承受高電壓和大電流，開關(guān)速度快，但需要復(fù)雜的驅(qū)動和保護(hù)電路特性逆變電路、斬波電路等應(yīng)用半控型器件全控型器件工作原理利用柵源電壓控制漏極電流，實現(xiàn)開關(guān)功能特性開關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，但耐壓和耐流能力相對較低全控型器件中小功率開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用結(jié)合了MOSFET和GTR的優(yōu)點，通過柵極電壓控制集電極電流工作原理VS承受高電壓和大電流，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動功率小應(yīng)用大功率開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動、逆變電路等特性全控型器件03整流電路

單相可控整流電路單相半波可控整流電路介紹電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和參數(shù)計算。單相全波可控整流電路詳細(xì)闡述電路組成、工作原理、波形分析和參數(shù)設(shè)計。單相橋式可控整流電路重點講解電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和參數(shù)計算，包括帶電阻負(fù)載和帶感性負(fù)載兩種情況。123介紹電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和參數(shù)計算。三相半波可控整流電路詳細(xì)闡述電路組成、工作原理、波形分析和參數(shù)設(shè)計。三相全波可控整流電路重點講解電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和參數(shù)計算，包括帶電阻負(fù)載和帶感性負(fù)載兩種情況。三相橋式可控整流電路三相可控整流電路直流電機(jī)調(diào)速電解電鍍直流電源供電新能源領(lǐng)域應(yīng)用整流電路的應(yīng)用通過改變可控整流電路的觸發(fā)角，實現(xiàn)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。為各種需要直流電源的電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓和電流。利用可控整流電路提供穩(wěn)定的直流電源，實現(xiàn)金屬表面的電解或電鍍處理。在太陽能、風(fēng)能等新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，可控整流電路用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電以供后續(xù)使用。04逆變電路工作原理01有源逆變電路通過控制開關(guān)器件的通斷，將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。其工作原理主要依賴于PWM控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來控制輸出電壓的幅值和頻率。電路結(jié)構(gòu)02有源逆變電路主要由直流電源、開關(guān)器件（如IGBT、MOSFET等）、濾波電路和負(fù)載組成。其中，開關(guān)器件的選型和驅(qū)動電路設(shè)計對逆變電路的性能至關(guān)重要。優(yōu)點與局限性03有源逆變電路具有輸出電壓穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。然而，它也存在一些局限性，如開關(guān)器件的耐壓和耐流能力有限，需要復(fù)雜的驅(qū)動和保護(hù)電路等。有源逆變電路工作原理無源逆變電路利用負(fù)載中的感性或容性元件與開關(guān)器件的相互作用，實現(xiàn)直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)換。其工作原理主要依賴于負(fù)載的諧振特性，通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的通斷時刻來控制輸出電壓的波形。電路結(jié)構(gòu)無源逆變電路主要由直流電源、開關(guān)器件、諧振元件（如電感、電容等）和負(fù)載組成。與有源逆變電路相比，無源逆變電路的結(jié)構(gòu)相對簡單。優(yōu)點與局限性無源逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點。然而，它的輸出電壓波形質(zhì)量較差，且對負(fù)載的適應(yīng)性較差，因此在實際應(yīng)用中受到一定限制。無源逆變電路逆變電路在太陽能、風(fēng)能等新能源領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，用于將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能以供負(fù)載使用或并網(wǎng)發(fā)電。新能源領(lǐng)域在電動汽車中，逆變電路用于將電池組提供的直流電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)所需的交流電能，實現(xiàn)電動汽車的運行。電動汽車在工業(yè)自動化領(lǐng)域，逆變電路可用于驅(qū)動各種電機(jī)、執(zhí)行器等負(fù)載，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線的運行和控制。工業(yè)自動化此外，逆變電路還可應(yīng)用于電力系統(tǒng)、航空航天、軍事等領(lǐng)域，以滿足不同應(yīng)用場景下的電能轉(zhuǎn)換需求。其他領(lǐng)域逆變電路的應(yīng)用05直流-直流變流電路電路構(gòu)成降壓型直流-直流變流電路主要由輸入濾波電路、開關(guān)管、續(xù)流二極管、儲能電感和輸出濾波電路等組成。工作原理降壓型直流-直流變流電路通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出直流電壓。在開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓通過儲能電感向負(fù)載供電，同時電感儲存能量；在開關(guān)管關(guān)斷時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感釋放能量，維持負(fù)載電流連續(xù)。應(yīng)用范圍降壓型直流-直流變流電路廣泛應(yīng)用于各種需要低電壓、大電流的場合，如計算機(jī)、通信、消費類電子等領(lǐng)域。降壓型直流-直流變流電路010203電路構(gòu)成升壓型直流-直流變流電路主要由輸入濾波電路、開關(guān)管、儲能電感、續(xù)流二極管和輸出濾波電路等組成。工作原理升壓型直流-直流變流電路通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的輸出直流電壓。在開關(guān)管導(dǎo)通時，儲能電感儲存能量；在開關(guān)管關(guān)斷時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感釋放能量并通過輸出濾波電路向負(fù)載提供高電壓。應(yīng)用范圍升壓型直流-直流變流電路常用于需要將低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓的場合，如LED驅(qū)動、電動汽車充電等領(lǐng)域。升壓型直流-直流變流電路電路構(gòu)成復(fù)合型直流-直流變流電路結(jié)合了降壓型和升壓型兩種變流電路的特點，主要由輸入濾波電路、開關(guān)管、儲能電感、續(xù)流二極管和輸出濾波電路等組成。工作原理復(fù)合型直流-直流變流電路通過控制多個開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)輸入直流電壓的升降壓轉(zhuǎn)換。根據(jù)輸出電壓與輸入電壓的大小關(guān)系，復(fù)合型變流電路可以工作在降壓模式或升壓模式。應(yīng)用范圍復(fù)合型直流-直流變流電路適用于需要寬范圍輸出電壓的場合，如新能源發(fā)電系統(tǒng)、電動汽車電源管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。復(fù)合型直流-直流變流電路06交流-交流變流電路通過控制交流電壓的幅值或相位，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。調(diào)壓原理調(diào)壓方式應(yīng)用領(lǐng)域包括晶閘管相控調(diào)壓、自耦變壓器調(diào)壓、PWM控制調(diào)壓等。交流調(diào)壓電路廣泛應(yīng)用于電力拖動、電熱控制、照明控制等領(lǐng)域。030201交流調(diào)壓電路調(diào)功原理通過控制交流負(fù)載的通斷時間，實現(xiàn)對負(fù)載功率的調(diào)節(jié)。調(diào)功方式包括晶閘管過零觸發(fā)調(diào)功、定時觸發(fā)調(diào)功、智能調(diào)功等。應(yīng)用領(lǐng)域交流調(diào)功電路主要用于對電加熱、電光源等負(fù)載的功率調(diào)節(jié)。交流調(diào)功電路包括晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等。開關(guān)類型具有快速響應(yīng)、高耐壓、大電流等特點。開關(guān)特性交流電力電子開關(guān)在電機(jī)控制、電源變換、無功補償?shù)阮I(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域交流電力電子開關(guān)及應(yīng)用07PWM控制技術(shù)01脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的改變，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。02PWM控制通過對脈沖寬度的調(diào)制來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值），即面積等效原理。03在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：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，其效果基本相同。PWM控制的基本原理模擬電路法利用模擬電路產(chǎn)生三角波載波和正弦波調(diào)制波，通過比較器確定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生SPWM波。數(shù)字電路法通過數(shù)字電路產(chǎn)生SPWM波，具體實現(xiàn)方式包括自然采樣法、規(guī)則采樣法等。專用集成電路法采用專用集成電路芯片產(chǎn)生SPWM波，具有集成度高、可靠性好、使用方便等優(yōu)點。010203SPWM波的產(chǎn)生方法PWM控制技術(shù)在電力電子裝置中的應(yīng)用直流-直流（DC-DC）變換器通過PWM控制技術(shù)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通信、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。直流-交流（DC-AC）逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，通過PWM控制技術(shù)實現(xiàn)輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)，應(yīng)用于太陽能發(fā)電、電動汽車等領(lǐng)域。交流-交流（AC-AC）變頻器通過PWM控制技術(shù)實現(xiàn)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，應(yīng)用于電梯、空調(diào)、洗衣機(jī)等家用電器中。開關(guān)電源利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)高效率、低噪聲的電源轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。08電力電子裝置與系統(tǒng)開關(guān)電源利用半導(dǎo)體開關(guān)器件（如晶體管、場效應(yīng)管等）的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制輸入電壓的通斷，從而在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓。其核心部分包括整流濾波電路、開關(guān)變換電路、控制電路和保護(hù)電路。以一款12V/5A的開關(guān)電源為例，設(shè)計步驟包括確定輸入輸出參數(shù)、選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計主電路和控制電路、選擇元器件、進(jìn)行仿真和實驗驗證等。具體實現(xiàn)時，可采用PWM控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。工作原理設(shè)計實例開關(guān)電源的工作原理與設(shè)計實例工作原理不間斷電源(UPS)是一種在市電中斷或異常時，能繼續(xù)向負(fù)載提供交流電能的電源裝置。其工作原理包括整流、充電、逆變和切換等環(huán)節(jié)。在市電正常時，UPS將市電整流成直流電給蓄電池充電；市電異常時，蓄電池放電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載。設(shè)計實例以一款在線式UPS為例，設(shè)計步驟包括確定輸入輸出參數(shù)、選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計主電路和控制電路、選擇元器件、進(jìn)行仿真和實驗驗證等。具體實現(xiàn)時，可采用DSP或ARM等微處理器作為控制核心，實現(xiàn)UPS的智能化管理和控制。不間斷電源(UPS)的工作原理與設(shè)計實例第二季度第一季度第四季度第三季度高效率高功率密度智能化綠色化電力電子裝置與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，