第01章 電力電子變換及控制技術(shù)導(dǎo)論

1、Page 12022年2月15日星期二Application technology of Power Electronics江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院Application technology of Power Electronics電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）第第 1 1 章章電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論論P(yáng)age 32022年2月15日星期二1 1 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論1.1 1.1 電力電子學(xué)科的形成電力電子學(xué)科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義1.3 1.3 開關(guān)型電

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

3、學(xué)技術(shù)。利用電磁學(xué)利用電磁學(xué)(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(yīng)用的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。應(yīng)用的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。 1.電力技術(shù)電力技術(shù)Page 62022年2月15日星期二1.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)電力電子學(xué)科的形成（續(xù)2）電子技術(shù)又稱為電子技術(shù)又稱為電子學(xué)電子學(xué)，它是與，它是與電子器件、電子電路以及電子設(shè)電子器件、電子電路以及電子設(shè)備和系統(tǒng)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)。備和系統(tǒng)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)。電子技術(shù)是研究電子器件，以及電子技術(shù)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(chǔ)、發(fā)送和接收問題。儲(chǔ)、發(fā)送和接收問題。又稱為信息電子技術(shù)或信息電子又稱為信息電子技術(shù)或信息電子學(xué)。學(xué)。 2.電子技術(shù)電子技術(shù)Page 72022年2月15日星期二1.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)電力電子學(xué)科的形成（續(xù)3）也稱為也稱為電力電子學(xué)電力電子學(xué)。利用利用電力電子開關(guān)器件電力電子開關(guān)器件組成電力開關(guān)電路，利用組成電力開關(guān)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(guān)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制，經(jīng)濟(jì)有效信號處理和控制系統(tǒng)，對電力開關(guān)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制，經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)地實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式的電力變換和電力控制開關(guān)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(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科。是綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科。電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子技術(shù)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(shù)電力電子技術(shù)(Power Electronics)Page 82022年2月15日星期二1.1 電力電子學(xué)科的形成（續(xù)電力電子學(xué)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(shù)電力電子技術(shù)(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(shù)經(jīng)濟(jì)意義電力電子變換和控制的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shè)備的不同要求。都必須滿足各種用電設(shè)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(gè)用電設(shè)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(gè)用電設(shè)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(fù)載使用，的電能，再供負(fù)載使用，用電設(shè)備可以獲得更好的技術(shù)特性和更大的

7、經(jīng)濟(jì)效益。用電設(shè)備可以獲得更好的技術(shù)特性和更大的經(jīng)濟(jì)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(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換3.3.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理1.3 開關(guān)型電力電子變換的基本原理及控制方法開關(guān)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(yīng)的四種四類基本變換及相應(yīng)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(fù)合型電力變換器許多復(fù)合型電力變換器Page 122022年2月15日星期二2.交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟姡總鹘y(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟?？基本原理基本原理缺點(diǎn)缺點(diǎn)Page 132022年2月15日星期二2.交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換交流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換(續(xù)續(xù)1) 傳統(tǒng)電力技術(shù)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(shù)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(diǎn)缺點(diǎn)Page 142022年2月15日星期二3.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理 如何用電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？如何用電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？基本原理基本原理圖中的開關(guān)設(shè)為圖中的開關(guān)設(shè)為理想開關(guān)理想開關(guān) vo= Svi S為為開關(guān)函數(shù)開關(guān)函數(shù) Page 152022年2月15日星期二3.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)器件實(shí)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(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利

10、用開關(guān)器件實(shí)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(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān)理想開關(guān),無損耗無損耗Page 192022年2月15日星期二3.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān)理想開關(guān),無損耗無損耗開關(guān)周期開關(guān)占空比sTDPage 202022年2月15日星期二3.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān)理想開關(guān),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(guān)頻率開關(guān)頻率Page 212022年2月15日星期二3.利用開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)串聯(lián)單刀雙擲開關(guān),理想開關(guān)理想開關(guān),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(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)時(shí)刻、開關(guān)時(shí)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(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)時(shí)刻、開關(guān)時(shí)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(guān)器件實(shí)現(xiàn)電力變換的基本原理利用開關(guān)器件實(shí)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(guān)時(shí)刻開關(guān)時(shí)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(guān)型電力電子變換器的基本特性開關(guān)型電力電子變換器的基本特性開關(guān)型電力電子變換器的核心部分是一組開關(guān)電路開關(guān)型電力電子變換器的核心部分是一組開關(guān)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(guān)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(guān)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(shí)間函數(shù)電力電子變換電路中的電壓、電流周期性時(shí)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(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域q開關(guān)型電力電子變換電源開關(guān)型電力電子變換電源q開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器Page 272022年2月15日星期二電機(jī)傳動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)Page 282022年2月15日星期二NASA 風(fēng)洞風(fēng)洞Page 292022年2月15日星期二富士高速機(jī)車富士高速機(jī)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(xué)習(xí)要求課程學(xué)習(xí)要求掌握典型電力半導(dǎo)體器件的運(yùn)行特性和應(yīng)用技術(shù)