电力电子学-第1章

2电力电子学—电力电子变换和控制技术（第三版）第一章电力电子变换和控制技术导论第二章半导体电力开关器件第三章直流/直流变换器第四章直流/交流变换器（逆变器）第五章交流/直流变换器（整流器）第六章交流/交流变换器第七章辅助元器件和系统第八章谐振开关型变换器第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第十章电力电子开关型电力补偿、控制器3第一章电力电子变换和控制技术导论4第一章电力电子变换和控制技术导论1.1电力电子学科的形成1.2电力电子变换和控制的技术经济意义1.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法1.4开关型电力电子变换器的基本特性1.5开关型电力电子变换器的应用领域5第一章电力电子变换和控制技术导论1.1电力电子学科的形成1.2电力电子变换和控制的技术经济意义1.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法1.4开关型电力电子变换器的基本特性1.5开关型电力电子变换器的应用领域61.1电力电子学科的形成1.电力技术•所用设备：电机、开关、变压器、电感、电容、输电线。•完成功能：发电、输电、配电、用电。•基础理论：电路、磁路、电磁场。71.1电力电子学科的形成2.电子技术•所用器件：晶体管、场效应管、集成电路、微处理器、电感、电容。•完成功能：信号产生、变换、存储、发送、接受。•基础理论：电路、磁路、电磁场。81.1电力电子学科的形成3.电力电子技术•所用器件：晶体管、场效应管、集成电路、微处理器、电感、电容。•完成功能：发电、输电、配电、用电中的电能变换与控制。•基础理论：电路、磁路、电磁场。91.1电力电子学科的形成4.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19041930194719581970198019902000时间/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10第一章电力电子变换和控制技术导论1.1电力电子学科的形成1.2电力电子变换和控制的技术经济意义1.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法1.4开关型电力电子变换器的基本特性1.5开关型电力电子变换器的应用领域111.2电力电子变换和控制的技术经济意义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：•节能风机、水泵的调速、照明（取代普通镇流器）；•省材设备体积、重量减小，使铜、铁的使用量减少；•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发电机励磁、柔性输电、谐波治理、无功补偿。121.2电力电子变换和控制的技术经济意义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；预计到2020~2030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；2003年美国制定了“国家电力传输路线图”计划，电力电子被列为五大关键技术之一；电力电子技术是近年来受到各国关注的智能电网的关键技术之一；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。131.1电力电子学科的形成1.2电力电子变换和控制的技术经济意义1.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法1.4开关型电力电子变换器的基本特性1.5开关型电力电子变换器的应用领域第一章电力电子变换和控制技术导论141.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法电源可分为两类：直流电（DC），频率f=0交流电（AC），频率f0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。这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器151.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法传统电力技术如何将交流电变为直流电？传统电力技术如何实现交流电频率的变换？如何用电力电子开关器件实现电能的变换？AC/DC基本整流电路DC/AC基本逆变电路AC/AC直接变频、变压电路DC/DC直接变换电路16传统电力技术如何将交流电变为直流电？17传统电力技术如何实现交流电频率的变换？18如何用电力电子开关器件实现电能的变换？图中的开关设为理想开关vO=S×vSS为开关函数19AC/DC基本整流电路工作方式：相控、斩波分析方法：傅里叶分解、积分考虑问题：开关时刻、滤波20DC/AC基本逆变电路工作方式：方波、PWM波分析方法：傅里叶分解、积分考虑问题：开关时刻、滤波21AC/AC直接变频、变压电路工作方式：周期控制分析方法：等效考虑问题：开关时刻22DC/DC直接变换电路（降压）工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合调制）分析方法：傅里叶分解1S3S2S4S23直流/直流升压变换电路ABCDRCovLlioi+-(a)直流升压电路lidIovTs2TsonT0S2ONS4ON(b)电压，电流，波形S2ON0S4ONoffToffTonTovlidIPSVSV1S3S2S4SDC/DC直接变换电路（升压）241.1电力电子学科的形成1.2电力电子变换和控制的技术经济意义1.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法1.4开关型电力电子变换器的基本特性1.5开关型电力电子变换器的应用领域第一章电力电子变换和控制技术导论25开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路。在开关型电力电子变换电路的输入、输出端附加滤波电路（通常为LC滤波器），以改善输出电压和输入电流的波形。高频PWM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）。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，一般应对称地安排一个周期中不同的开关状态及持续时间。常用分析方法——状态空间平均法，傅里叶变换。1.4开关型电力电子变换器的基本特性261.1电力电子学科的形成1.2电力电子变换和控制的技术经济意义1.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法1.4开关型电力电子变换器的基本特性1.5开关型电力电子变换器的应用领域第一章电力电子变换和控制技术导论271.5开关型电力电子变换器的应用领域开关型电力电子变换电源开关型电力电子补偿控制器28开关型电力电子变换电源电力系统中的直流远距离输电直流电动机变速传动控制交流电动机变速传动控制变速恒频发电系统电解、电镀等应用领域中的低压大电流可控直流电源。各类高性能的不间断供电电源(UPS，UninterruptiblePowerSupply)各类恒频、恒压通用逆变电源29开关型电力电子变换电源照明灯具用的高频电力电子变换器(电子镇流器)各类低压直流开关电源蓄电池充电电源中频或高频感应加热电源大功率脉冲电源、激光电源燃料电池或太阳能光-电转换系统输出的恒压直流或恒频、恒压交流电源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30开关型电力电子补偿控制器电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器阻抗补偿控制器31对图（a）示开关电路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32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33课程学习要求掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术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掌握常用的电力电子变换电路的分析方法了解电力电子变换器的应用领域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