第1章 电力电子导论(第二版)

1电力电子学PowerElectronics学时：56（含教学实验8）学分：3.5性质：专业基础课成绩评定：作业＋实验＋考试成绩作业：每周二课后交3教材：电力电子学－电力电子变换和控制技术高等教育出版社（第二版）主要参考书：贾正春，马志源：电力电子学，中国电力出版社王兆安：电力电子技术，机械工业出版社4电力电子学电力电子变换和控制技术4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51.1电力电子学科的形成－相关学科之电力技术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）61.1电力电子学科的形成（续一）－相关学科之电子技术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71.1电力电子学科的形成（续二）－电力电子学之定义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)。（电力电子技术）电子器件电子电路电子技术电力设备电力网络电力技术控制技术（连续、离散）{}{}电力电子学图1.1表征电力电子技术的倒三角形8电力电子学科的形成（续三）－发展史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。91.2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101.3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。图1.2电力变换类型11传统电力技术如何将交流电变为直流电？电动机启动器交流电动机A.C.M直流发电机D.C.G控制系统三相50赫交流电源电压反馈电压给定励磁直流负载利用变流机组实现AC/DC变换12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？图1.3利用变流机组实现电力变换(b)交流变频、变压发电机组实现交流-交流电压、频率变换电动机启动器交流电动机A.C.M直流发电机D.C.G直流电动机D.C.M交流发电机A.C.G控制系统1fi2fi三相50赫交流电源频率、电压反馈频率、电压给定13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:v0=s×vi（S称为开关函数）图1.4电源负载ABCDS1S2+-iIivoiov+-(a)带开关的电路电源负载DABCS1S2S3S4+-iI+-(b)桥式开关电路ivoiov141.AC/DC基本整流电路(a)整流电路A.CS1S2S3S4ABCCDLRsviidVov0iDvsinsmvVttVvmosindV2mdVV2ov0tdVtcos1mdVVonTtdV(d)多脉波PWM整流电压波形00ovovov23ov（b）0,电压波形ov(c)0，电压波形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1.5152.DC/AC基本逆变电路X-Axis1vDov0ttX-Axis1vov0tCTonTonT(b)方波(c)宽度方波tT/2T(d)PWM输出电压波形0ov2Ttov2T2tovovo180o180DVDVDV图1.6基本逆变电路及波形工作方式：方波、PWM波分析方法：傅立叶分解考虑问题：开关时刻、滤波ABCDRLS1S2S3S4CDV(a)基本逆变电路ov1v163.AC/AC直接变频、变压电路～ABS1S2S3S4Sv+-负载CDov(a)AC-AC直接变频电路S1、S4导通ON时，S2、S3断开offS2、S3导通ON时，S1、S4断开off交流电源工作方式：周期控制思考方法：等效法考虑问题：开关时刻msTTi80401,4ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ONtVvmisinZiHf50msTi2000ms20ms40(c)输出交流波形(b)交流电源电压波形)(0tvmsTTi80401,4ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON2,3ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ON1,4ONtVvmisinZiHf50msTi2000ms20ms40(c)输出交流波形(b)交流电源电压波形)(0tv图1.7AC-AC直接变频电路174.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ONSTOSSTVVDV图1.8直流－直流降压变换电路ABCDLVS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降压电路)(tvo-TsonTdoVtoffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)输出波形ovV图1.8直流－直流降压变换电路ABCDLS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降压电路)(tvo-TsonTdoVtoffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)输出波形ovVSS184.DC/DC直接变换电路（升压）图1.9直流－直流升压变换电路ABCDRS1S2S3S4CovLlioi+-(a)直流升压电路lidIovTs2TsonT0S2ONS4ON(b)电压，电流，波形S2ON0S4ONoffToffTonTovlidIPSVSV191.4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201.5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211.5.1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221.5.1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。231.5.2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。24(1)电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器对图1.6(a)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。图1.6开关型电力补偿控制器25(2)阻抗补偿控制器将图1.6(b)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。图1.6开关型电力补偿控制器261.5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。27