新第3版0_第1章

1、1电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）多媒体教学课件多媒体教学课件华中科技大学华中科技大学2电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论第二章第二章 半导体电力开关器件半导体电力开关器件第三章第三章 直流直流/ /直流变换器直流变换器第四章第四章 直流直流/ /交流变换器（逆变器交流变换器（逆变器）第五章第五章 交流交流/ /直流变换器（整流器）直流变换器（整流器）第六章第六章 交流交流/ /交流变换器交流变换器第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统第八章第八章 谐振开关型变换器谐振开关型变换器第

2、九章第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第十章第十章 电力电子开关型电力补偿、控制器电力电子开关型电力补偿、控制器3第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论4第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论1.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.3 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.4 1.4 开关型电力电子变换器的基本特性开关型电力电子变换器的基本特性

3、1.5 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器的应用领域5第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论1.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.3 1.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.4 1.4 开关型电力电子变换器的基本特性开关型电力电子变换器的基本特性1.5 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器的应用领域61.1 电力电子学科的形成1.电力技术电力技术 所用设备：所用设备： 电机电机、

4、开关开关、变压器变压器、 电感电感、电容电容、输电线输电线。 完成功能：完成功能： 发电发电、输电输电、配电配电、用电用电。 基础理论：基础理论： 电路电路、磁路磁路、电磁场电磁场。71.1电力电子学科的形成2.电子技术电子技术 所用器件：所用器件： 晶体管、场效应管、晶体管、场效应管、 集成电路、微处理器、集成电路、微处理器、 电感、电容。电感、电容。 完成功能：完成功能： 信号产生、变换、存储、信号产生、变换、存储、发送、接受。发送、接受。 基础理论：基础理论： 电路、磁路、电磁场。电路、磁路、电磁场。81.1电力电子学科的形成3.电力电子技术电力电子技术 所用器件：所用器件： 晶体管、场

5、效应管、晶体管、场效应管、 集成电路、微处理器、集成电路、微处理器、 电感、电容。电感、电容。 完成功能：完成功能： 发电、输电、配电、用电发电、输电、配电、用电 中的电能变换与控制。中的电能变换与控制。 基础理论：基础理论： 电路、磁路、电磁场电路、磁路、电磁场 。91.1 电力电子学科的形成4.电力电子技术发展史电力电子技术发展史电力电子技术的发展史以电力电子器件的发展史为纲19041930194719581970198019902000时间/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10第一章第一章 电力电子

6、变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论1.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4开关型电力电子变换器的基本特性开关型电力电子变换器的基本特性1.5 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器的应用领域111.2 电力电子变换和控制的技术经济意义 公用电网的电能经过适当的变换和处理以后再供负载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，可以获得更好的技术特性和更大的经济意义：使用，

7、可以获得更好的技术特性和更大的经济意义： 节能节能风机、水泵的调速、照明（取代普通镇流器）； 省材省材设备体积、重量减小，使铜、铁的使用量减少； 环保环保节能、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。121.2 电力电子变换和控制的技术经济意义l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；l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

8、后再供负载使用；l2003年美国制定了“国家电力传输路线图”计划，电力电子被列为五大关键技术之一；l电力电子技术是近年来受到各国关注的智能电网的关键技术之一；l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。131.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4开关型电力电子变换器的基本特性开关型电力电子变换器的基本特性1.5 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器的应用领域第一章第一章

9、 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论141.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法l电源可分为两类： 直流电（DC），频率f=0 交流电（AC），频率f0l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151.3 开关型电力电子变换基本原理及控制方法l传统电力技术如何将交流电变为直流电？l传统电力技术如何实现交流电频率的变换？l如何用电力电子开关器件实现电能的变换？lAC/DC基本整流电路lDC/AC基本逆变电路lAC/AC直接变频、变压电路lDC/DC直接变换电路16传统电力

10、技术如何将交流电变为直流电？17传统电力技术如何实现交流电频率的变换？18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图中的开关设为理想开关 vO = S vS S为开关函数为开关函数 19AC/DC基本整流电路工作方式：相控、斩波分析方法：傅里叶分解 、积分考虑问题：开关时刻、 滤波20DC/AC基本逆变电路工作方式：方波、PWM波分析方法：傅里叶分解 、积分考虑问题：开关时刻、 滤波21AC/AC直接变频、变压电路工作方式：周期控制分析方法：等效考虑问题：开关时刻22 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：傅里叶分解23D

11、C/DC直接变换电路（升压）241.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.4 1.4 开关型电力电子变换器的基本特性开关型电力电子变换器的基本特性1.5 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器的应用领域第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论25l开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路。开关电路。l在开关型电力电子变换电路的输入、

12、输出端附加在开关型电力电子变换电路的输入、输出端附加滤波电路滤波电路 （通常为（通常为LC滤波器），以改善输出电压和输入电流的波形。滤波器），以改善输出电压和输入电流的波形。l高频高频PWM控制是改善开关电路输入电流波形、输出电压最有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）。效的技术措施（频率的提高使滤波电路尺寸大幅度降低）。l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，一般应流，一般应对称地安排对称地安排一个周期中不同的开关状态及持续时一个周期中不同的开关状态及持续时间。间。

13、l常用分析方法常用分析方法状态空间平均法，傅里叶变换。状态空间平均法，傅里叶变换。1.4 开关型电力电子变换器的基本特性261.1 1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.2 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义电力电子变换和控制的技术经济意义1.31.3开关型电力电子变换基本原理及控制方法开关型电力电子变换基本原理及控制方法 1.41.4开关型电力电子变换器的基本特性开关型电力电子变换器的基本特性1.5 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器的应用领域第一章第一章 电力电子变换和控制技术导论电力电子变换和控制技术导论271.5 开关型电力电子变换器的应用领域l

14、 开关型电力电子变换电源开关型电力电子变换电源l 开关型电力电子补偿控制器开关型电力电子补偿控制器28开关型电力电子变换电源l电力系统中的直流远距离输电电力系统中的直流远距离输电l直流电动机变速传动控制直流电动机变速传动控制l交流电动机变速传动控制交流电动机变速传动控制l变速恒频发电系统变速恒频发电系统l电解、电镀等应用领域中的低压大电流可电解、电镀等应用领域中的低压大电流可控直流电源。控直流电源。l各类高性能的不间断供电电源各类高性能的不间断供电电源(UPS，Uninterruptible Power Supply)l各类恒频、恒压通用逆变电源各类恒频、恒压通用逆变电源29开关型电力电子变换

15、电源l照明灯具用的高频电力电子变换器照明灯具用的高频电力电子变换器( (电子镇流器电子镇流器) )l各类低压直流开关电源各类低压直流开关电源l蓄电池充电电源蓄电池充电电源l中频或高频感应加热电源中频或高频感应加热电源l大功率脉冲电源、激光电源大功率脉冲电源、激光电源l燃料电池或太阳能光燃料电池或太阳能光- -电转换系统输出的恒压直电转换系统输出的恒压直流或恒频、恒压交流电源流或恒频、恒压交流电源l超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量的电力电子变换电源的电力电子变换电源30开关型电力电子补偿控制器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31 对图（a）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，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或电流。将此变换器的输出电压串接在电力线路上即可补偿和调控电网线路电压，改变线路电流；将此变换器输出的电流并联接入电网，即可补偿负载电流或控制电网电流。从而调控系统有功和（或）无功功率。 串联、并联补偿器都能显著地改善电力系统的运行特性和运行经济性。电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器32 将图（b）所示的电感、