第1章 电力电子导论.ppt

电力电子学电力电子变换和控制技术,1,第一章电力电子变换和控制技术导论,电力电子学科的形成电力电子变换和控制的技术经济意义开关型电力电子变换的基本原理及控制方法开关型电力电子变换器基本特性开关型电力电子变换器的应用领域,2,1.1电力电子学科的形成,电力技术利用电力设备（发电机、变压器、输电线、电动机、开关电器、电感、电容等）组成电力系统，应用电磁学基本原理处理发电、输电、配电、用电的技术统称电力技术。其应用所依赖的器件是电机、变压器、电抗器、电容器、开关等研究对象是电能的参数（电压、电流的频率、波形、幅值、相位等）,3,1.1电力电子学科的形成（续一）,电子技术利用电子元器件（电子管、半导体器件、集成电路、微处理器、电感、电容等）组成电子信息系统，应用电磁学基本原理处理信号的产生、变换、存储、发送、接收的技术称为电子技术。其应用所依赖的器件是电子器件（二极管、三极管、MOS管、集成电路、微处理器等）研究对象是载有信息的弱电信号,4,1.1电力电子学科的形成（续二）,电力电子技术将现代电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件、半导体集成电路和微处理器实现电力变换和控制的电气工程新学科，是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科，称为电力电子技术或电力电子学PowerElectronics。,5,电力电子学科的形成（续三）,20世纪40年代，随着电气技术的发展人们开始探索用电机、变压器以外的器件进行电能变换的控制；1948年三极管的出现直接引发了电子技术革命；1957年在三极管的基础上人们发明了晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；20世纪60年代后以晶闸管为基础的电力电子电路开始得到广泛应用；20世纪70年代后期开始，以不断出现的各种全控器件为基础的电力电子电路开始逐步得到广泛应用；目前，电力电子器件仍然在发展，推动了电力电子技术应用范围的不断扩大（功率范围扩大、成本降低）；并且，半导体器件的发展是电力电子发展的关键。微电子技术的发展使电力电子装置的控制性能不断提高；众多研究者的努力使电力电子电路的拓扑结构不断翻新。,6,1.2电力电子变换和控制的技术经济意义,公用电网的恒频、恒压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效益，这可从以下几个方面来说明节能风机、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（供电稳定、快速）自动化设备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、高压直流输电、谐波治理、无功补偿,7,1.3开关型电力电子变换的基本原理及控制方法,电力变换可划分为四类基本变换，相应的有四种电力变换电路或电力变换器。利用以上四种基本变换电路还可以组合成许多复合型电力电子电路。,,8,传统电力技术如何将交流电变为直流电,利用变流机组实现AC/DC变换,9,传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率的交流电,,10,如何用电力电子开关器件实现电能的变换,,分析中我们常常认为图中的开关均为理想开关。此时有v0svi（S称为开关函数）,图1.4,11,1.AC/DC基本整流电路,工作方式相控、斩波分析方法傅立叶分解、积分考虑问题开关时刻、滤波,图1.5,12,2.DC/AC基本逆变电路,工作方式方波、PWM波分析方法傅立叶分解考虑问题开关时刻、滤波,,13,3.AC/AC直接变频、变压电路,工作方式周期控制思考方法等效法考虑问题开关时刻,14,4.DC/DC直接变换电路（降压）,工作方式占空比控制（PWM、PFM、混合调制）分析方法傅立叶分解,15,4.DC/DC直接变换电路（升压）,16,1.4开关型电力电子变换器基本特性,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出、输入端附加滤波电路（通常为LC滤波器），可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出电压、输入电流波形最有效的技术措施（频率的提高使滤波电路尺寸大幅度降低）在电力电子变换器工作中，开关器件不断地进行周期性通、断状态的依序转换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,17,1.5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,18,1.5.1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,19,1.5.1开关型电力电子变换电源（续）,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。抽水储能发电站、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。,20,1.5.2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。,21,1电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器,对图1.6a所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，再将开关电路的输出电压经高频滤波后就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，因此开关型电力电子变换器可以成为一个任意波形的电压源;如果电压经大电感接到外电路，就可以输出任意波形的周期性或非周期电流，此时又可以看成一个任意波形的电流源。,,22,2阻抗补偿控制器,,将图1.6b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。,,23,1.5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。,24,