电力电子学 第1章课件

1、TIANJIN UNIVERSITYSEEK TRUTH FROM FACTS电力电子学电力电子变换和控制技术王议锋 博士 / 讲师教育经历：教育经历：2001.092010.09：哈尔滨工业大学电力电子与电力传动专业研究经历：研究经历：2003.072010.09：哈尔滨工业大学电力电子与电力传动研究所2010.09 至今： 天津大学智能电网教育部重点实验室研究领域：研究领域：1.先进电力电子变换器拓扑；2.电力电子技术在智能电网与新能源发电中的应用；3.大功率照明电子及LED驱动技术。教学邮箱：教学邮箱：邮箱：wayif_密码：wayif1981tju2 /37 教 材电力电子技术王兆安

2、西安交通大学机械工业出版社电力电子学陈坚 华中科技大学高等教育出版社3 /37 p1.1 电力电子学科的形成p1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义p1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法 p1.4 开关型电力电子变换器的基本特性 p1.5 开关型电力电子变换器的应用领域第1章 电力电子（变换与控制）技术 导论4 /37 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 1.1 电力电子学科的形成5 /37 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

3、、接受 基础理论： 电路 磁路 电磁场 2. 电子技术1.1 电力电子学科的形成6 /37 l模拟（连续）控制技术。l数字（离散）控制技术。l自动控制理论（含经典和现代）、现代电机控制理论等等，是促进电力电子技术不断发展的源泉之一。3. 控制技术1.1 电力电子学科的形成7 /37 4. 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 电磁场 控制理论 信号与系统 热力学1.1 电力电子学科的形成8 /37 5. 典型的电力电子系统框图1.1 电力电子学科的形成9 /37 电力电子技术的发展史以电力

4、电子器件的发展史为纲 19041930194719581970198019902000t(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6. 电力电子技术发展史1.1 电力电子学科的形成10 /37 p1.1 电力电子学科的形成p1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义p1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法 p1.4 开关型电力电子变换器的基本特性 p1.5 开关型电力电子变换器的应用领域第1章 电力电子（变换与控制）技术 导论11 /37 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

5、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1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义12 /37 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20202030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5

6、大关键技术之一；电力电子技术还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；1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义13 /37 p1.1 电力电子学科的形成p1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义p1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法 p1.4 开关型电力电子变换器的基本特性 p1.5 开关型电力电子变换器的应用领域第1章 电力电子（变换与控制）技术 导论14 /37 l电源可分为两类： 直流电 / DC，频率f = 0 交流电 / AC，频率f 0l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

7、力变换电路或电力变换器。 l这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器。 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法15 /37 传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法16 /37 传统电力技术如何实现交流电频率的变换？ 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法17 /37 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= Svi S 为开关函数 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法18 /37 PWM、PFM及复合控制及复合控制 l PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术： 方波

8、频率 f 不变，高电平所占比例（占空比 D）根据需要调节。l PFM（Pulse Frequency Modulation）脉冲频率调制技术： 方波高电平时间 ton 不变，方波频率 f 根据需要调节。l 复合控制：方波频率 f 和高电平时间 ton 均可根据需要调节。PWM控制PFM控制 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法19 /37 PWM控制的基本原理控制的基本原理 l PWM控制技术重要理论基础面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同低频段接近，高频段略有差异输出响应波形 1.3

9、开关型电力电子变换基本原理及控制方法20 /37 工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合调制）分析方法：傅里叶分解1. DC/DC 直流变换电路（降压） 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法21 /37 1. DC/DC 直流变换电路（升压）工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合调制）分析方法：傅里叶分解 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法22 /37 2. AC/DC 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 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法23 /37 工作方式：方波、PWM波分析方法：傅立叶分解 、积分考虑问

10、题：开关时刻、 滤波3. DC/AC 逆变电路 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法24 /37 工作方式：周期控制分析方法：等效考虑问题：开关时刻4. AC/AC 直接变频、变压电路 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法25 /37 对于大部分电力电子变换器而言： 基本原理：开关器件 + 电感（L）电容（C）等储能元件控制方法：相控、斩波（PWM、PFM、复合控制）分析方法：傅立叶分解 、积分、等效考虑问题：开关时刻、开关过程、滤波 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法26 /37 p1.1 电力电子学科的形成p1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义p1.3 开关型

11、电力电子变换基本原理及控制方法 p1.4 开关型电力电子变换器的基本特性 p1.5 开关型电力电子变换器的应用领域第1章 电力电子（变换与控制）技术 导论27 /37 开关型电力电子变换器的核心部分是：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）；常用分析方法状态空间平均法，积分，傅立叶变换； 1.4 开关型电力电子变换器的基本特性28 /37 l分析电力电子电路时注意以下因素： 开关器件开通、关断时刻及过程；电感电流及电

12、容电压；节点电压；谐振器件的工作过程。 1.4 开关型电力电子变换器的基本特性29 /37 第1章 电力电子（变换与控制）技术 导论p1.1 电力电子学科的形成p1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义p1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法 p1.4 开关型电力电子变换器的基本特性 p1.5 开关型电力电子变换器的应用领域30 /37 l 开关型电力电子变换电源 AC/DC 整流 DC/DC 直接直流变换 DC/AC 逆变 AC/AC直接交流变换 l 开关型电力电子补偿控制器1.5 开关型电力电子变换器的应用领域31 /37 n电力系统中的直流远距离输电n直流电动机变速传动控制n交流电

13、动机变速传动控制n变速恒频发电系统n电解、电镀等应用领域中的低压大电流可控直流电源。n各类高性能的不间断供电电源(UPS，Uninterruptible Power Supply)n各类恒频、恒压通用逆变电源1.5 开关型电力电子变换器的应用领域32 /37 n照明灯具用的高频电力电子变换器(电子镇流器)n各类低压直流开关电源n蓄电池充电电源n中频或高频感应加热电源n大功率脉冲电源、激光电源n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n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1.5 开关型电力电子变换器的应用领域33 /37 1. 电机传动Filter

14、Trans.AC/DCFilterDC/ACFilterSourceLoad1.5 开关型电力电子变换器的应用领域34 /37 未包含：反馈信号采集 + 控制电路 + 驱动电路 + 辅助电源p电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器p阻抗补偿控制器2. 开关型电力电子补偿控制器1.5 开关型电力电子变换器的应用领域35 /37 l内容涵盖面宽，新知识、新概念多、实践性强。需要善于归纳总结。电力电子学内容主要包括： 电力电子器件、电力电子电路（各类变换器）、电力电子应用系统（装置）三大部分，本课程学习的重点在电力电子电路。功率器件主要工作在开关状态，以功率器件为主构成的电路是一个离散的、非线性电路。学习中应重点掌握电路定性的基本概念、善于利用波形图分析电路的特性，理解必要的数学推导。电路中功率器