《電力電子技術(shù)概論》課件

電力電子技術(shù)概論本課程旨在介紹電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋電力電子器件、電路拓?fù)?、控制技術(shù)等。我們將學(xué)習(xí)如何將電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。課程目標(biāo)11.掌握電力電子技術(shù)基礎(chǔ)了解電力電子技術(shù)基本概念、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域。22.掌握電力電子器件工作原理學(xué)習(xí)二極管、晶體管、MOSFET等器件的工作原理和應(yīng)用方法。33.掌握電力電子電路分析方法掌握整流、逆變、DC-DC轉(zhuǎn)換等電路的分析方法。44.了解電力電子技術(shù)應(yīng)用學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)在電源變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)是一門將電力信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他形式電能的技術(shù)。電力電子技術(shù)在現(xiàn)代電子設(shè)備中發(fā)揮著重要作用，例如電腦、手機(jī)、電動(dòng)汽車等。它利用半導(dǎo)體器件進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的控制和調(diào)節(jié)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋了能源、工業(yè)、交通、通信等各個(gè)方面。它不僅能夠提高能源利用效率，還能夠改善電能質(zhì)量，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。電力電子器件介紹二極管二極管是一種單向?qū)ǖ陌雽?dǎo)體器件，只允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)。它主要用于整流、保護(hù)電路、檢測(cè)等。晶體管晶體管是一種具有放大電流能力的半導(dǎo)體器件，可用于控制電流的大小。MOSFETMOSFET是一種具有高開關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，廣泛應(yīng)用于電源變換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。IGBTIGBT是一種集結(jié)了雙極型晶體管和MOSFET優(yōu)點(diǎn)的器件，具有高效率、高功率密度和快速開關(guān)速度，適用于各種電力電子應(yīng)用。二極管的工作原理1PN結(jié)二極管由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成，中間形成PN結(jié)。2正向偏置當(dāng)正向電壓加在PN結(jié)兩端時(shí)，PN結(jié)的勢(shì)壘降低，電流可以流通。3反向偏置當(dāng)反向電壓加在PN結(jié)兩端時(shí)，PN結(jié)的勢(shì)壘增加，電流幾乎無(wú)法流通。4單向?qū)щ姸O管只允許電流從正向流過(guò)，而阻止電流從反向流過(guò)。二極管的分類及應(yīng)用硅二極管硅二極管最常見，應(yīng)用廣泛。性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉。鍺二極管鍺二極管性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，適用于低壓電路。肖特基二極管肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間短，導(dǎo)通壓降小，適用于高速開關(guān)電路。發(fā)光二極管發(fā)光二極管將電能轉(zhuǎn)換為光能，廣泛應(yīng)用于顯示屏、照明等領(lǐng)域。晶體管的工作原理1PN結(jié)結(jié)構(gòu)晶體管由兩個(gè)PN結(jié)組成，分別是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。2電流放大基極電流控制著集電極電流，實(shí)現(xiàn)電流放大效果，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和控制。3三種工作模式晶體管主要有三種工作模式，分別是放大模式、飽和模式和截止模式，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。開關(guān)型晶體管工作原理開關(guān)型晶體管主要用于快速切換通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。當(dāng)施加控制信號(hào)時(shí)，晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，電流可以流通；當(dāng)控制信號(hào)消失，晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，電流無(wú)法流通。特性開關(guān)型晶體管具有快速開關(guān)速度、高效率、低功耗等特點(diǎn)。它們通常用于電力電子電路中，例如電源變換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。類型常見的開關(guān)型晶體管類型包括雙極結(jié)型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。每種類型都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。MOSFET的特性及應(yīng)用高開關(guān)速度MOSFET具有快速開關(guān)速度，適合高速電力電子應(yīng)用。低導(dǎo)通損耗MOSFET導(dǎo)通時(shí)電阻較低，降低了功率損耗。高集成度MOSFET可集成于電路板，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。廣泛應(yīng)用MOSFET應(yīng)用于電源變換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、新能源等領(lǐng)域。電源變換器的分類交流-直流變換器(AC-DC)將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，例如手機(jī)充電器。直流-直流變換器(DC-DC)將直流電源轉(zhuǎn)換為不同電壓的直流電源，例如筆記本電腦適配器。直流-交流變換器(DC-AC)將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，例如太陽(yáng)能逆變器。整流電路的基本原理整流電路是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路。整流電路通常由二極管組成，二極管只允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)。1交流輸入輸入為交流電信號(hào)2整流將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電3濾波濾除脈動(dòng)直流電中的交流成分4直流輸出輸出為穩(wěn)定的直流電信號(hào)整流電路在電力電子技術(shù)中非常重要，廣泛應(yīng)用于電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。單相整流電路原理單相整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。通過(guò)二極管的單向?qū)ㄌ匦?，?shí)現(xiàn)電流的單向流動(dòng)，從而獲得直流電壓。類型單相整流電路主要分為半波整流和全波整流，并根據(jù)負(fù)載類型選擇相應(yīng)的整流電路。應(yīng)用單相整流電路在電源適配器、充電器、直流電機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。三相整流電路1橋式整流將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電2可控整流通過(guò)控制整流元件的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)輸出直流電壓3脈沖整流利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效率的直流電源三相整流電路是將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路，其應(yīng)用范圍非常廣泛，例如電源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電氣化鐵路等。三相整流電路的種類很多，常見的包括橋式整流、可控整流和脈沖整流。橋式整流電路是最簡(jiǎn)單的三相整流電路，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但效率較低?？煽卣麟娐房梢酝ㄟ^(guò)控制整流元件的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)輸出直流電壓，應(yīng)用于需要調(diào)節(jié)電壓的場(chǎng)合。脈沖整流電路利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高效率的直流電源，應(yīng)用于需要高效率電源的場(chǎng)合。脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)概念PWM是一種通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓或電流的技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)PWM可以實(shí)現(xiàn)高效率、低損耗的能量轉(zhuǎn)換，并且可以輕松調(diào)節(jié)輸出電壓或電流。應(yīng)用PWM廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、電源變換器、照明控制等領(lǐng)域。DC-DC變換器的基本原理1能量轉(zhuǎn)換將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓、降壓、隔離等3控制策略PWM、電壓模式、電流模式DC-DC變換器是一種將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓的電路，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、電源系統(tǒng)和新能源領(lǐng)域。DC-DC變換器通常由開關(guān)元件、電感、電容和控制電路組成，通過(guò)改變開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)來(lái)控制能量的流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。升壓型DC-DC變換器工作原理升壓型DC-DC變換器將輸入電壓升高至更高的輸出電壓。通過(guò)在開關(guān)周期內(nèi)儲(chǔ)存能量，然后在輸出端釋放能量實(shí)現(xiàn)升壓功能。應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，例如筆記本電腦、手機(jī)和電源適配器。在需要更高的電壓或電流時(shí)，升壓型DC-DC變換器能夠提供穩(wěn)定的輸出。降壓型DC-DC變換器11.工作原理降壓型DC-DC變換器將輸入直流電壓降低到輸出直流電壓，并保持輸出電壓穩(wěn)定。22.主要組成主要包括開關(guān)器件、電感、電容、二極管等，通過(guò)開關(guān)器件的開閉狀態(tài)來(lái)控制能量的傳輸。33.應(yīng)用場(chǎng)景降壓型DC-DC變換器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，例如手機(jī)充電器、筆記本電腦電源等。44.優(yōu)點(diǎn)效率高、體積小、重量輕、可靠性高，并可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確控制。反激式DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)反激式DC-DC變換器主要由開關(guān)管、變壓器、二極管和濾波電容組成。工作原理當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過(guò)變壓器儲(chǔ)能到變壓器的磁芯中。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在磁芯中的能量通過(guò)二極管釋放到輸出端。應(yīng)用場(chǎng)景反激式DC-DC變換器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，如筆記本電腦、手機(jī)充電器等。逆變器的基本原理DC-AC轉(zhuǎn)換逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。它是電力電子系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。開關(guān)器件逆變器使用開關(guān)器件，如MOSFET或IGBT，以控制直流電流的流動(dòng)并產(chǎn)生交流波形?？刂齐娐房刂齐娐坟?fù)責(zé)調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而控制輸出電壓和頻率。濾波電路濾波電路用來(lái)濾除輸出波形中的諧波，以生成更純凈的交流波形。正弦波逆變器11.輸出波形正弦波逆變器輸出電壓波形近似正弦波，與市電波形一致。22.應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于需要高功率因數(shù)和低諧波失真的場(chǎng)合，例如家用電器、UPS電源等。33.工作原理通過(guò)PWM技術(shù)控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，產(chǎn)生接近正弦波的電壓。44.優(yōu)點(diǎn)具有高效率、低諧波、高功率因數(shù)、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。矩形波逆變器工作原理矩形波逆變器通過(guò)開關(guān)器件的通斷來(lái)產(chǎn)生矩形波電壓，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但輸出電壓波形失真較大，諧波含量高。應(yīng)用主要應(yīng)用于對(duì)電壓波形要求不高的場(chǎng)合，例如感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電力電子技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的精確控制，提高電機(jī)效率和控制精度。它可以用于各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如工業(yè)自動(dòng)化、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本原理電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電力電子變換器、控制系統(tǒng)、電機(jī)組成。電力電子變換器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并控制電機(jī)的電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精確控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供精確的旋轉(zhuǎn)控制，適用于需要高精度定位的應(yīng)用。靈活可控通過(guò)控制脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和速度的靈活調(diào)節(jié)。廣泛應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在精密機(jī)械、自動(dòng)化設(shè)備、3D打印等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)異步電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如工業(yè)生產(chǎn)、家用電器等。控制電路驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。傳感器傳感器用于檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，例如速度、電流和溫度，為控制電路提供反饋信息。永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)高效率和高精度永磁同步電機(jī)(PMSM)在效率和精度方面表現(xiàn)出色。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)汽車和航空航天等領(lǐng)域?？刂撇呗允噶靠刂坪椭苯愚D(zhuǎn)矩控制是兩種常見的PMSM驅(qū)動(dòng)控制策略。矢量控制通過(guò)控制電機(jī)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能。電力電子在新能源中的應(yīng)用光伏發(fā)電電力電子技術(shù)用于光伏逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并連接到電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電需要通過(guò)電力電子裝置進(jìn)行整流、濾波和控制，以滿足電網(wǎng)要求。儲(chǔ)能系統(tǒng)電力電子技術(shù)用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和管理，提高儲(chǔ)能效率和可靠性。電動(dòng)汽車電力電子技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、充電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)，提升汽車性能和續(xù)航能力。電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用高壓直流輸電電力電子技術(shù)用于高效、可靠地將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸電。電力系統(tǒng)穩(wěn)定電力電子設(shè)備用于改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電壓質(zhì)量，減少諧波。電力系統(tǒng)控制電力電子技術(shù)為電力系統(tǒng)控制提供靈活的解決方案，實(shí)現(xiàn)功率分配和能量管理。電力電子在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用提高電機(jī)效率電力電子技術(shù)可以有效提高電機(jī)效率，減少能量損耗。改善電機(jī)性能例如，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，并改善電機(jī)控制精度。擴(kuò)展電機(jī)應(yīng)用電力電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在各種環(huán)境下的應(yīng)用，例如新能源汽車和工業(yè)自動(dòng)化。電機(jī)應(yīng)