電力電子學(xué)陳堅(jiān)第一章ppt課件

1、電力電子學(xué)電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)電力電子變換和控制技術(shù)第三版第三版陳陳 堅(jiān)堅(jiān) 編著編著華中科技大學(xué)華中科技大學(xué)第一章第一章 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)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)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1.31.3開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法 1.41.4開關(guān)型電力電子變換器的根本特性開關(guān)型電力電子變換器的根本特性1.5 1.5 開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 3第一章第一

2、章 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)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)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1.31.3開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法 1.41.4開關(guān)型電力電子變換器的根本特性開關(guān)型電力電子變換器的根本特性1.5 1.5 開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 4電力電子學(xué)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)成第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 1.電力技術(shù)電力技術(shù) 所用設(shè)備：所用設(shè)備： 電機(jī)電機(jī) 開關(guān)開關(guān) 變壓

3、器變壓器 電感電感 電容電容 輸電線輸電線 完勝利能：完勝利能： 發(fā)電發(fā)電 輸電輸電 配電配電 用電用電 根底實(shí)際：根底實(shí)際： 電路電路 磁路磁路 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng) 5電力電子學(xué)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)成第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 2.電子技術(shù)電子技術(shù) 所用器件：所用器件： 晶體管晶體管 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 集成電路集成電路 微處置器微處置器 電感電感 電容電容 完勝利能：完勝利能： 信號(hào)產(chǎn)生、變換、存儲(chǔ)信號(hào)產(chǎn)生、變換、存儲(chǔ)、發(fā)送、接受、發(fā)送、接受 根底實(shí)際：根底實(shí)際： 電路電路 磁路磁路 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng) 3. 控制技術(shù)控制技術(shù) 模擬延續(xù)控制技術(shù)。 數(shù)字離散控制技術(shù)。 實(shí)際與技術(shù)的提高，促使數(shù)

4、字控制技術(shù)越來越多取代模擬控制技術(shù)。例：變頻器控制技術(shù)的開展史。 自動(dòng)控制實(shí)際含經(jīng)典和現(xiàn)代、現(xiàn)代電機(jī)控制實(shí)際等等，是促進(jìn)電力電子技術(shù)不斷開展的源泉之一。7電力電子學(xué)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)成第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 .電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 所用器件：所用器件： 晶體管晶體管 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 集成電路集成電路 微處置器微處置器 電感電感 電容電容 完勝利能：完勝利能： 發(fā)電發(fā)電 輸電輸電 配電配電 用電用電 中的電能變換與控制中的電能變換與控制 根底實(shí)際：根底實(shí)際： 電路電路 磁路磁路 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng) 典型的電力電子系統(tǒng)框圖 9電力電子學(xué)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)成第1章 電力電子變

5、換和控制技術(shù)導(dǎo)論 4.電力電子技術(shù)開展史電力電子技術(shù)開展史電力電子技術(shù)的開展史以電力電子器件的開展史為綱1904193019471958197019801990 2000t(年)全控型器件迅速開展晶體管誕生晶閘管問世電子管問世史前期黎明期水銀汞弧整流器時(shí)代晶閘管時(shí)代IGBT出現(xiàn)功率集成器件5. 電力電子學(xué)的特點(diǎn)電力電子學(xué)的特點(diǎn) 內(nèi)容涵蓋面寬，新知識(shí)、新概念多、實(shí)際性強(qiáng)。需求擅長(zhǎng)歸納總結(jié)。電力電子學(xué)內(nèi)容主要包括： 電力電子器件、電力電子電路各類變換器、電力電子運(yùn)用系統(tǒng)安裝三大部分，本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在電力電子電路。 功率器件主要任務(wù)在開關(guān)形狀，以功率器件為主構(gòu)成的電路是一個(gè)離散的、非線性電路。學(xué)習(xí)

6、中應(yīng)重點(diǎn)掌握電路定性的根本概念、擅長(zhǎng)利用波形圖分析電路的特性，了解必要的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。 電路中功率器件的開關(guān)過渡過程是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，應(yīng)逐漸順應(yīng)其分析方法。11第一章第一章 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)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)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1.31.3開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法 1.41.4開關(guān)型電力電子變換器的根本特性開關(guān)型電力電子變換器的根本特性1.5 1.5 開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域第1章 電力電子

7、變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 121.2 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)意義第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 公用電網(wǎng)的電能經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q和處置以后再供負(fù)載運(yùn)用，可以獲得更好的技術(shù)特性和更大的經(jīng)濟(jì)意義：節(jié)能風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速、照明取代普通鎮(zhèn)流器省材設(shè)備體積、分量減小使銅、鐵的運(yùn)用量減少環(huán)保節(jié)能、省材是環(huán)保的詳細(xì)表現(xiàn)提高產(chǎn)質(zhì)量量和勞動(dòng)消費(fèi)率提高供電可靠性、高速高精度電氣傳動(dòng)提高電力系統(tǒng)本身的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量和穩(wěn)定性發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、柔性輸電、諧波治理、無功補(bǔ)償131.2 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)意義第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 l經(jīng)

8、過變換處置后再供用戶運(yùn)用的電能，占全國(guó)發(fā)電總量的百分比的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)家技術(shù)提高的主要標(biāo)志之一；l估計(jì)到20202030年，美國(guó)發(fā)電站消費(fèi)的全部電能都將經(jīng)變換和處置后再供負(fù)載運(yùn)用；l2003年美國(guó)制定了“國(guó)家電力傳輸?shù)缆穲D方案，電力電子被列為5大關(guān)鍵技術(shù)之一；l電力電子技術(shù)還是近年來遭到各國(guó)關(guān)注的智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一；l風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的利用幾乎都離不開電力電子技術(shù)的支撐；141.1 1.1 電力電子學(xué)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)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1.31.3開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換根本原理

9、及控制方法 1.41.4開關(guān)型電力電子變換器的根本特性開關(guān)型電力電子變換器的根本特性1.5 1.5 開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 第一章第一章 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15開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 l電源可分為兩類：l 直流電D.C，頻率f=0l 交流電A.C，頻率f0l電力變換按電壓/電流的大小、波形及頻率變換劃分為四類根本變換及相應(yīng)的四種電力變換電路或電力變換器。l這四類根本變換可以組合成許多復(fù)合型電力變換器16傳統(tǒng)

10、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?？?章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 17傳統(tǒng)電力技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)交流電頻率的變換？傳統(tǒng)電力技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)交流電頻率的變換？第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 18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？ 第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 圖中的開關(guān)設(shè)為理想開關(guān)圖中的開關(guān)設(shè)為理想開關(guān) vo= Svi S為開關(guān)函數(shù)為開關(guān)函數(shù) 191. AC/DC1. AC/DC根本整流電路根本整流電路任務(wù)方式：相控、斬波任務(wù)方式：相控、斬波分析方法：傅立葉分解分析方法：傅立葉分解 、積分、積分思索問題：開關(guān)時(shí)辰、思

11、索問題：開關(guān)時(shí)辰、 濾波濾波第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 202. DC/AC2. DC/AC根本逆變電路根本逆變電路任務(wù)方式：方波、任務(wù)方式：方波、PWM波波分析方法：傅立葉分解分析方法：傅立葉分解 、積分、積分思索問題：開關(guān)時(shí)辰、思索問題：開關(guān)時(shí)辰、 濾波濾波第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 213.AC/AC3.AC/AC直接變頻、變壓電路直接變頻、變壓電路任務(wù)方式：周期控制分析方法：等效思索問題：開關(guān)時(shí)辰第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 224. DC/DC4. DC/DC直接變換電路降壓直接變換電路降壓任務(wù)方式：占空比控制PWM、PFM、混合調(diào)制分析方法：傅里葉分解第1章

12、電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 直流直流降壓變換電路ABCDLVS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降壓電路)(tvo-TsonTdoVtoffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)輸出波形ovV直流直流降壓變換電路ABCDLS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降壓電路)(tvo-TsonTdoVtoffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)輸出波形ovVSS 直流直流升壓變換電路ABCDRS1S2S3S4CovLlioi+-(a) 直流升壓電路lidIovTs2TsonT0S2ONS4ON(b) 電壓 ，電流 ， 波形S2ON0S4ONoffT

13、offTonTovlidIPSVSV235. DC/DC5. DC/DC直接變換電路升壓直接變換電路升壓第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 241.1 1.1 電力電子學(xué)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)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1.31.3開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法 1.41.4開關(guān)型電力電子變換器的根本特性開關(guān)型電力電子變換器的根本特性1.5 1.5 開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 第一章第一章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論電力電子變換和

14、控制技術(shù)導(dǎo)論25第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 l開關(guān)型電力電子變換器的中心部分是一組開關(guān)電路開關(guān)型電力電子變換器的中心部分是一組開關(guān)電路l在開關(guān)型電力電子變換電路的輸入、輸出端附加濾波電路在開關(guān)型電力電子變換電路的輸入、輸出端附加濾波電路通常為通常為L(zhǎng)CLC濾波器，以改善輸出電壓和輸入電流的波形濾波器，以改善輸出電壓和輸入電流的波形l高頻高頻PWMPWM控制是改善開關(guān)電路輸入電流波形、輸出電壓最有控制是改善開關(guān)電路輸入電流波形、輸出電壓最有效的技術(shù)措施頻率的提高使濾波電路尺寸大幅度降低效的技術(shù)措施頻率的提高使濾波電路尺寸大幅度降低l為使電力電子開關(guān)電路的輸出電壓接近理想的直流或正弦為使電

15、力電子開關(guān)電路的輸出電壓接近理想的直流或正弦交流，普通應(yīng)對(duì)稱地安排一個(gè)周期中不同的開關(guān)形狀及繼交流，普通應(yīng)對(duì)稱地安排一個(gè)周期中不同的開關(guān)形狀及繼續(xù)時(shí)間續(xù)時(shí)間l常用分析方法常用分析方法形狀空間平均法，積分，傅立葉變換形狀空間平均法，積分，傅立葉變換開關(guān)型電力電子變換器的根本特性開關(guān)型電力電子變換器的根本特性261.1 1.1 電力電子學(xué)科的構(gòu)成電力電子學(xué)科的構(gòu)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1.31.3開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法開關(guān)型電力電子變換根本原理及控制方法 1.41.4開關(guān)型電力電子變換器的根本特性開關(guān)型電力電子變換器的根本特性

16、1.5 1.5 開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 第一章第一章 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27開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域開關(guān)型電力電子變換器的運(yùn)用領(lǐng)域第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 開關(guān)型電力電子變換電源 開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器28開關(guān)型電力電子變換電源開關(guān)型電力電子變換電源第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 l電力系統(tǒng)中的直流遠(yuǎn)間隔輸電電力系統(tǒng)中的直流遠(yuǎn)間隔輸電l直流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制直流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制l交流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制交流電動(dòng)機(jī)變速傳動(dòng)控制l變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)l電解、電

17、鍍等運(yùn)用領(lǐng)域中的低壓大電流可電解、電鍍等運(yùn)用領(lǐng)域中的低壓大電流可控直流電源?？刂绷麟娫?。l各類高性能的不延續(xù)供電電源各類高性能的不延續(xù)供電電源(UPS(UPS，Uninterruptible Power Supply)Uninterruptible Power Supply)l各類恒頻、恒壓通用逆變電源各類恒頻、恒壓通用逆變電源29開關(guān)型電力電子變換電源開關(guān)型電力電子變換電源第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 l照明燈具用的高頻電力電子變換器照明燈具用的高頻電力電子變換器( (電子鎮(zhèn)流器電子鎮(zhèn)流器) )l各類低壓直流開關(guān)電源各類低壓直流開關(guān)電源l蓄電池充電電源蓄電池充電電源l中頻或高頻感應(yīng)加熱

18、電源中頻或高頻感應(yīng)加熱電源l大功率脈沖電源、激光電源大功率脈沖電源、激光電源l燃料電池或太陽(yáng)能光燃料電池或太陽(yáng)能光- -電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的恒壓直電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的恒壓直流或恒頻、恒壓交流電源流或恒頻、恒壓交流電源l超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能、磁懸浮運(yùn)載工具等高壓特大容量超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能、磁懸浮運(yùn)載工具等高壓特大容量的電力電子變換電源的電力電子變換電源電機(jī)傳動(dòng)31開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 p電壓、電流有功功率、無功功率補(bǔ)償控制器p阻抗補(bǔ)償控制器32第1章 電力電子變換和控制技術(shù)導(dǎo)論 對(duì)圖a示開關(guān)電路中的四個(gè)開關(guān)器件進(jìn)展實(shí)時(shí)、適式的高頻通、斷控制，可以由變換器的輸出端得到所需求的、恣意波形的周期性或非周期電壓或電流。將此變換器的輸出電壓串接在電力線路上即可補(bǔ)償和調(diào)控電網(wǎng)線路電壓，改動(dòng)線路電流；將此變換器輸出的電流并聯(lián)接入電網(wǎng)，即可補(bǔ)償負(fù)載電流或控制電網(wǎng)電流。從而調(diào)控系統(tǒng)有功和或無功功率。 串聯(lián)、并聯(lián)補(bǔ)償器都能顯著地改善電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性和運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性。電壓、電流有功功率、無功功率補(bǔ)償控制器電壓、電流有功功率、無功功率補(bǔ)償控制器33第1章 電力電子變換和控制