电力电子技术(第4版)王云亮电子课件

第1章绪论本章简要介绍了本报告的背景和目标。报告将从宏观的角度探讨企业发展的宏观环境,并重点分析当前行业面临的挑战。通过实地调研和数据分析,为企业制定未来发展策略提供建议。ＯabyＯＯＯＯＯＯＯＯＯ1.1电力电子技术的定义和特点电力电子技术的定义电力电子技术是利用功率半导体器件实现电能转换和控制的一门学科。它结合电路理论、控制理论和电磁理论。技术特点电力电子技术具有高效率、高可靠性、可控性强、体积小等特点,广泛应用于工业、交通、能源等领域。发展趋势电力电子技术不断发展,向着高功率密度、高开关频率、高集成度和智能化的方向前进。电力电子技术的发展历程11948年硅半导体技术的发明开启了电力电子技术的新纪元,使得更高效和可靠的电力电子器件成为可能。21960年代晶闸管和MOSFET的问世极大地推动了电力电子技术的发展,使得电力转换和控制更加灵活高效。31980年代IGBT的问世进一步提高了电力电子技术的性能,推动了变频调速、柔性输电等新应用的发展。1.3电力电子技术的应用领域电机驱动控制:电力电子技术在电机的速度和转矩控制中广泛应用,提高了电机的效率和性能。可再生能源应用:例如风力发电和光伏发电系统中,电力电子技术实现电能的高效转换和并网。电力系统稳定控制:电力电子技术在无功补偿、谐波滤波、电压调节等方面发挥重要作用,保障电网的安全稳定运行。电力变换应用:电力电子技术在直流-交流、交流-交流、交流-直流等电力变换中广泛应用,提高能量转换效率。电力质量控制:电力电子技术可实现谐波抑制、功率因数校正、电压调节等,改善电力系统的供电质量。电力电子技术的基本原理电力电子技术的基本原理包括电力转换、电力调控和电力控制等方面。它利用功率半导体器件实现电力的有效转换和控制,可以提高电力系统的效率和可靠性。这种技术在电机驱动、电网并网、电力变换等领域广泛应用,是电力系统现代化的关键技术之一。功率半导体器件功率半导体器件是电力电子技术的核心组成部分,负责实现电力转换和控制。了解这些器件的工作原理及特点,对于设计和应用电力电子系统至关重要。二极管1定义二极管是一种双端半导体器件,具有单向导通特性,可以用于直流电路中的整流和检波等功能。2工作原理二极管内部由P型半导体和N型半导体材料组成,当正向偏压施加时,电子和空穴可以自由流动,实现导通。3主要特性二极管具有低正向压降、耐压能力强、响应速度快等优点,广泛应用于整流、检波、调制等电路中。4种类及应用常见的二极管种类包括硅二极管、锗二极管、发光二极管等,应用于电源、信号处理、照明等领域。晶闸管晶闸管是一种具有三个电极的半导体功率开关器件。它通过在控制电极施加电压来控制主电路的开通和关断,具有体积小、效率高、响应快等特点。晶闸管在电力电子系统中广泛应用,是实现电力控制的关键元件之一。MOSFET1MOSFET原理MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)是一种利用电场控制半导体材料导电性的电子器件。其工作原理是通过施加电压来调控源极和漏极之间的电流流通。2MOSFET特点MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、功耗低等优点,在电力电子领域广泛应用于开关电路、放大电路等。3MOSFET分类MOSFET可分为增强型和减磁型两大类,根据沟道类型又可分为N沟道和P沟道MOSFET。不同类型MOSFET应用场景也有所不同。4MOSFET选型MOSFET选型时需考虑额定电压、导通电阻、开关速度、开关损耗等参数,选择适合所需应用的MOSFET器件。2.4IGBTIGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种高功率、高速开关器件，结合了MOSFET的电压控制和BJT的功率驱动能力。IGBT具有高输入阻抗、高输出功率密度、快速开关等优点，广泛应用于电力电子领域。IGBT的核心结构为p-n-p-n结构，通过栅极电压控制器件的开关状态。IGBT在高压高功率应用中比MOSFET更有优势，是电力电子系统中的重要功率半导体器件。2.5功率半导体器件的选择明确应用场景需求:考虑工作电压、电流、频率、功率条件等。兼顾器件性能指标:选择导通电阻、开关速度、耐压和温升等指标达标的器件。权衡成本和可靠性:平衡成本、可靠性和性能之间的关系,实现最优选择。优化散热设计:根据器件的发热特性,采用合适的散热方案,确保安全稳定运行。电力电子变换器在电力电子系统中,电力电子变换器是实现电能转换的核心部件。其主要包括整流电路、逆变电路、斩波电路和换流电路等,能够实现交流电与直流电之间的相互转换和电压电流的调节。这些电路广泛应用于电机驱动、电网并网、电力变换和电力质量控制等领域。整流电路交流转直流整流电路可以将交流电压转换为直流电压,为各种电子设备提供所需的直流电源。基本结构整流电路通常由二极管、电容器和电感等元件组成,形成整流和滤波的功能。常见拓扑半波整流、全波整流和桥式整流是三种常见的整流电路拓扑结构。3.2逆变电路主回路拓扑逆变电路的主要拓扑结构包括半桥式、全桥式和多电平逆变器等。每种拓扑结构都有其特点和适用场景。开关控制策略逆变电路的开关控制策略主要包括正弦波调制、矩形波调制和脉宽调制等。不同的策略有不同的优缺点。滤波电路设计为了滤除谐波并获得较好的输出波形,需要设计合适的滤波电路。这包括L-C滤波器、RLC滤波器等。斩波电路电压调节斩波电路能够有效地调节输出电压,通过控制开关的开合时间比来实现对电压的连续调节。能源效率斩波调节模式相比于简单的电阻分压方式,能够更有效地利用电能,提高整个系统的能源利用率。宽调范围斩波电路能够提供较宽的调节电压范围,满足不同负载条件下的电压调节需求。换流电路整流换流电路从交流电源输入交流电压,通过整流器将其转换为直流电压。滤波该直流电压经过滤波电路,滤除高频脉动成分,输出平滑的直流电压。输出控制最后通过输出控制电路,对直流电压电流进行调节,满足负载要求。第4章电力电子系统的控制1反馈控制反馈控制通过监测系统输出并将其与期望值进行比较,从而调整系统输入以达到所需性能。这种闭环控制方法可以确保稳定可靠的系统运行。2开环控制开环控制不需要反馈信号,而是根据预先制定的算法直接控制系统输入。虽然可能更简单,但缺乏对输出的监控,难以确保长期稳定性。3数字控制数字控制利用微处理器、DSP等数字设备实现对电力电子系统的精确控制。相比模拟控制,数字控制更加灵活可编程,可实现高性能控制。4.1反馈控制检测对系统输出进行连续或间歇性的测量和监控,获取反馈信号。比较将检测到的实际输出值与预设的目标值进行比较,分析偏差大小。调整根据偏差情况采取相应的调节措施,以缩小偏差,达到预期目标。开环控制定义开环控制是一种简单的控制方式,没有反馈回路,直接根据输入信号来驱动系统,不依赖系统的输出状态。优点开环控制结构简单,易于实现,无需复杂的传感器和反馈电路。适用于一些稳定性要求不高的场合。局限性由于缺乏反馈,无法对外部干扰和系统参数变化进行自动补偿,控制精度较低,不适用于需要高精度的场合。4.3数字控制数字控制系统架构基于微处理器、FPGA等数字硬件的灵活配置和编程,能够实现复杂的算法和控制策略。快速响应和高精度数字控制系统具有快速的计算能力和高分辨率的信号处理,可以实现精准的控制。适应性强数字控制系统可以通过软件更新轻松地适应不同的应用环境和需求变化。4.4自适应控制识别系统动态模型通过实时监测系统运行参数,自动建立系统动态模型,以适应内外部环境的变化。优化控制算法根据实时系统模型,动态调整控制算法参数,以实现最佳性能指标。自我学习和优化系统会不断学习和积累经验,优化自身性能,提高控制精度和稳定性。第5章电力电子系统的应用电机驱动：利用电力电子技术可以精准控制电机的速度、扭矩和方向,广泛应用于工业自动化、家用电器等领域。电网并网：电力电子技术可实现可再生能源与电网的高效并网,提高电网的稳定性和灵活性。电力变换：通过整流、逆变等电力电子技术,可实现交直流电之间的转换,满足不同应用场景的电力需求。电力质量控制：利用电力电子设备可以有效改善电网电压、频率和谐波等电力质量问题,提升电网性能。5.1电机驱动高效驱动电力电子技术可以实现电机的高效驱动,提高电机的扭矩输出和速度调节精度。节能控制通过对电机的电压、电流进行精细化控制,可大幅提高电机系统的能源利用效率。自动化应用电力电子技术广泛应用于工业自动化领域,实现了电机的智能化、无人化控制。电网并网风电并网将风力发电系统并入电网,实现可再生能源与电网的无缝对接,提高电网的清洁能源占比。光伏并网利用逆变技术,将分布式光伏系统高效地并入电网,为电网提供清洁环保的电力。储能并网能源储存设备与电网协同工作,提高电网系统的灵活性和可靠性,助力清洁能源的大规模接入。5.3电力变换电力转换电力电子技术能够实现交流和直流之间的双向转换,可以调节电压、电流和频率,广泛应用于电力系统和工业场合。电压调节通过电力电子变换器,可以精准调节输出电压,满足不同负载的需求,提高供电质量和用电效率。频率转换利用电力电子技术可以实