【大學(xué)課件】 電力電子技術(shù)

電力電子技術(shù)概論電力電子技術(shù)是將電力系統(tǒng)與電子技術(shù)相結(jié)合的學(xué)科。它研究電力電子器件，電路及系統(tǒng)，以及它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用。功率半導(dǎo)體器件及其特性11.二極管二極管是一種單向?qū)щ娫?，允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)，但在相反方向阻止電流流動(dòng)。22.晶體管晶體管是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件，可用于放大和開(kāi)關(guān)信號(hào)。33.可控硅可控硅是一種可控的單向開(kāi)關(guān)元件，可以用脈沖信號(hào)控制其導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。44.場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流的半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于功率放大、開(kāi)關(guān)控制等領(lǐng)域。整流電路1單相整流單相整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，常見(jiàn)的類(lèi)型包括半波整流和全波整流。2三相整流三相整流電路將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，主要應(yīng)用于高功率電力系統(tǒng)中，如電力機(jī)車(chē)、電焊機(jī)等。3橋式整流橋式整流電路使用四個(gè)二極管組成橋式結(jié)構(gòu)，能夠有效降低整流器的功率損耗。平滑濾波電路1降低紋波平滑濾波電路可以有效降低整流電路的輸出電壓紋波。2提高直流電壓穩(wěn)定性平滑濾波電路可以使輸出電壓更加平穩(wěn)，提高電路的穩(wěn)定性。3改善負(fù)載特性平滑濾波電路可以減小輸出電壓受負(fù)載變化的影響，使輸出電壓更加穩(wěn)定。平滑濾波電路通常使用電容作為濾波元件。電容的容量越大，濾波效果越好。直流-直流變換電路基本概念直流-直流變換電路將一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)直流電壓，廣泛應(yīng)用于電源、電池充電器等領(lǐng)域。工作原理通常利用開(kāi)關(guān)器件（如MOSFET或IGBT）的開(kāi)閉控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。應(yīng)用例如，將電池的低電壓轉(zhuǎn)換為手機(jī)或筆記本電腦所需的高電壓。分類(lèi)直流-直流變換器可以分為升壓型、降壓型和隔離型等。脈沖變壓器及其應(yīng)用脈沖變壓器是一種專(zhuān)門(mén)用于處理脈沖信號(hào)的變壓器，廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域。它通常由鐵氧體磁芯構(gòu)成，具有較高的磁導(dǎo)率和較低的損耗，能夠有效地傳遞高頻脈沖信號(hào)。脈沖變壓器主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、脈沖調(diào)制器、高壓發(fā)生器、信號(hào)耦合、隔離等領(lǐng)域。它可以實(shí)現(xiàn)電壓升壓、降壓、隔離、信號(hào)轉(zhuǎn)換、脈沖整形等功能。變壓器飽和及其特點(diǎn)磁芯飽和當(dāng)鐵芯中的磁通量超過(guò)其磁化能力時(shí)，鐵芯會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)。此時(shí)，磁通量不再隨電流線性增加，導(dǎo)致變壓器性能下降。磁滯現(xiàn)象鐵芯在磁化過(guò)程中，磁化曲線呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生額外的損耗，影響效率。磁通量泄漏變壓器飽和會(huì)導(dǎo)致磁通量泄漏，導(dǎo)致變壓器匝間電壓升高，并增加電磁干擾。工作效率降低飽和狀態(tài)下，變壓器損耗增加，導(dǎo)致效率降低，并可能導(dǎo)致過(guò)熱。開(kāi)關(guān)電源的工作原理1直流轉(zhuǎn)換將交流電轉(zhuǎn)換為直流電2脈沖寬度調(diào)制(PWM)使用開(kāi)關(guān)控制電壓的占空比3濾波平滑輸出電壓，去除噪聲4反饋控制調(diào)節(jié)輸出電壓以達(dá)到目標(biāo)值開(kāi)關(guān)電源的核心是使用開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，利用PWM技術(shù)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變輸出電壓的平均值。濾波器用于平滑輸出電壓，反饋控制系統(tǒng)則用于穩(wěn)定輸出電壓，并根據(jù)負(fù)載變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。開(kāi)關(guān)電源的輸出濾波電路1LC濾波器LC濾波器是開(kāi)關(guān)電源輸出濾波中最常見(jiàn)的類(lèi)型。它由電感和電容組成，用來(lái)抑制輸出電壓中的高頻紋波。2π濾波器π濾波器是另一種常用的輸出濾波器。它由兩個(gè)電容和一個(gè)電感組成，可以提供更高的濾波效果。3主動(dòng)濾波主動(dòng)濾波使用反饋機(jī)制來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器的特性，以實(shí)現(xiàn)更精確的濾波效果。開(kāi)關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)，通常使用集成電路芯片實(shí)現(xiàn)，例如脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的放大開(kāi)關(guān)器件的柵極或基極需要足夠的電流才能可靠地開(kāi)關(guān)，因此驅(qū)動(dòng)電路需要放大控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離為了防止高壓側(cè)信號(hào)干擾低壓側(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路通常采用隔離技術(shù)，例如光耦合器或高壓隔離器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路需要具備過(guò)壓、過(guò)流、短路等保護(hù)功能，以確保開(kāi)關(guān)器件的安全運(yùn)行。高頻開(kāi)關(guān)變換拓?fù)渖龎菏阶儞Q器將低壓直流電壓升至高壓直流電壓。降壓式變換器將高壓直流電壓降至低壓直流電壓。升降壓式變換器輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。反激式變換器拓?fù)湓矸醇な阶儞Q器利用變壓器磁能儲(chǔ)存能量，并通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電流方向，實(shí)現(xiàn)電壓升降。主要特點(diǎn)是其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)控制，在低功率應(yīng)用中較為常見(jiàn)。應(yīng)用適用于低功率應(yīng)用，例如手機(jī)充電器、筆記本電腦電源等。在某些特殊情況下，也可能用于中等功率應(yīng)用，但需要更高功率的器件支持。正激式變換器拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)正激式變換器采用一個(gè)開(kāi)關(guān)管，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流從輸入端流經(jīng)開(kāi)關(guān)管和變壓器初級(jí)繞組，然后通過(guò)整流二極管和輸出濾波器到達(dá)負(fù)載。效率特點(diǎn)正激式變換器效率較高，適用于中等功率和高效率的應(yīng)用。應(yīng)用場(chǎng)景正激式變換器廣泛應(yīng)用于筆記本電腦適配器、LED照明電源等。雙管推挽變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)雙管推挽變換器采用兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，它們交替工作，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升降。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠有效提高輸出功率和效率。工作原理當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)開(kāi)關(guān)管截止，電流流過(guò)負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)管切換狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能元件釋放能量，保持輸出電壓穩(wěn)定。功率因數(shù)校正技術(shù)1提高效率功率因數(shù)校正可以減少無(wú)功功率消耗，提高系統(tǒng)效率。2降低損耗降低電流諧波含量，減少線纜和設(shè)備的損耗。3提高電壓質(zhì)量改善電網(wǎng)電壓波形，降低電壓波動(dòng)和電壓跌落。4保護(hù)設(shè)備減少電網(wǎng)諧波污染，保護(hù)其他設(shè)備免受諧波干擾。三相整流電路1三相全波整流六個(gè)二極管2三相半波整流三個(gè)二極管3三相橋式整流六個(gè)二極管三相整流電路可以將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。不同類(lèi)型的三相整流電路具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。三相橋式整流電路1基本原理將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電2工作方式利用六個(gè)二極管構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)3輸出特性輸出電壓波形為脈動(dòng)直流4應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于電源系統(tǒng)三相橋式整流電路是一種常見(jiàn)的電力電子電路，其工作原理是利用六個(gè)二極管構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電。該電路的輸出電壓波形為脈動(dòng)直流，并可通過(guò)濾波電路進(jìn)一步平滑。PWM波在電源中的應(yīng)用電壓控制PWM波可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的精確控制，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。頻率控制PWM波的頻率可調(diào)，可以改變電源的輸出頻率，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。電流控制PWM波可用于控制電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的精確控制。開(kāi)關(guān)頻率PWM波的開(kāi)關(guān)頻率決定了電源的效率和噪聲水平。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載運(yùn)行速度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、家用電器等領(lǐng)域，具有調(diào)節(jié)速度、提高效率、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)?？煽卣麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)可控整流工作原理可控整流器利用可控硅等半導(dǎo)體器件，將交流電源轉(zhuǎn)換為可控直流電壓?？煽卣髌骺梢钥刂浦绷麟妷旱拇笮『头较?，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。典型結(jié)構(gòu)可控整流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常包括可控整流器、直流電機(jī)、控制電路和保護(hù)電路?？煽卣髌鲗⒔涣麟娫崔D(zhuǎn)換為可控直流電源，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)?？刂品椒ǔＲ?jiàn)的控制方法包括相位控制、脈寬調(diào)制（PWM）控制等，可以根據(jù)需要選擇不同的控制方式。相位控制通過(guò)改變可控硅導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)直流電壓，PWM控制通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)控制直流電壓。應(yīng)用場(chǎng)景可控整流電機(jī)驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備，例如起重機(jī)、機(jī)床、電梯等。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但在性能和效率方面存在一定的局限性。變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)1電壓頻率控制通過(guò)改變電壓和頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩2矢量控制通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向，實(shí)現(xiàn)高精度控制3直接轉(zhuǎn)矩控制直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，無(wú)需轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)是目前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)控制方式之一。它通過(guò)改變電機(jī)供電頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由變頻器和電機(jī)組成。變頻器將工頻電源轉(zhuǎn)換成可調(diào)頻率的交流電源，并控制電機(jī)的運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。2驅(qū)動(dòng)類(lèi)型常見(jiàn)類(lèi)型包括單極性驅(qū)動(dòng)、雙極性驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)。3驅(qū)動(dòng)芯片常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)芯片有L298N、DRV8825等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。4控制系統(tǒng)微控制器或單片機(jī)用于生成控制信號(hào)，以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可分為單極性驅(qū)動(dòng)、雙極性驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)等類(lèi)型，驅(qū)動(dòng)芯片常用的有L298N、DRV8825等，這些驅(qū)動(dòng)芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，而控制系統(tǒng)則是由微控制器或單片機(jī)來(lái)完成。VVVF電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)電機(jī)調(diào)速效率高VVVF驅(qū)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑起動(dòng)和停止，有效降低能耗，提高效率。應(yīng)用場(chǎng)景廣泛廣泛應(yīng)用于地鐵、高鐵、電梯、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，提高設(shè)備性能和效率?？刂葡到y(tǒng)精確采用先進(jìn)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成主要由直流電機(jī)、控制電路、功率電子器件以及傳感器等組成。2工作原理通過(guò)控制電路調(diào)節(jié)電源電壓，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。3應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、家用電器、機(jī)器人等領(lǐng)域。感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)1矢量控制精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速2轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向?qū)崟r(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向3空間矢量脈寬調(diào)制優(yōu)化電機(jī)控制性能矢量控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)電流和電壓，精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向技術(shù)，實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向，并根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，生成相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，無(wú)需碳刷。2傳感器通過(guò)霍爾傳感器或其他技術(shù)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。3控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和指令信號(hào)控制電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的系統(tǒng)。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，例如電動(dòng)汽車(chē)、機(jī)器人和工業(yè)設(shè)備。諧振式逆變電路諧振原理利用LC諧振電路的特性，提高電壓和電流的效率。波形控制通過(guò)控制諧振頻率和相位，實(shí)現(xiàn)電壓和電流的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。應(yīng)用場(chǎng)景高頻感應(yīng)加熱電力電子設(shè)備無(wú)線電力傳輸逆變器在微網(wǎng)中的應(yīng)用微網(wǎng)是一種獨(dú)立于主電網(wǎng)的電力系統(tǒng)，它通常由分布式發(fā)電、儲(chǔ)能和負(fù)荷組成。逆變器在微網(wǎng)中扮演著至關(guān)重要的角色，將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，并實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的控制和管理。逆變器可以連接到各種分布式發(fā)電系統(tǒng)，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等，并將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。逆變器還可以充當(dāng)電力電子接口，實(shí)現(xiàn)能量在不同電源和負(fù)荷之間的傳遞，提高微網(wǎng)的效率和可靠性。電力電子技術(shù)的新進(jìn)展與展望寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體正在改變電力電子器件的效率和功率密度。它們能夠在更高的溫度和電壓下運(yùn)行，同時(shí)減少能耗。人工智能人工智能正在用于優(yōu)化電源系統(tǒng)的性能，例如通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)和智能控制，提高可靠性和效率。電力