电力电子-陈坚_第1章

1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 1 1 章章电力电子变换和控制技术导电力电子变换和控制技术导论论21 1 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的基本原理及控制方法开关型电力电子变换的基本原理及控制方法1.4 1.4 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课程学习要求课程学习要求31.1 电力电子学科的形成电

2、力电子学科的形成1.1.电力技术电力技术2.2.电子技术电子技术3.3.电力电子技术电力电子技术41.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续1）电力技术是一门涉及发电、电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的输电、配电及电力应用的科学技术。科学技术。利用电磁学利用电磁学(电路、磁路、电路、磁路、电场、磁场的基本原理电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。应用的技术统称电力技术。 1.电力技术电力技术51.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续2）电子技术又称为电子技术又称为电子学电子学，它是与，它是与电子器件、电子电

3、路以及电子设电子器件、电子电路以及电子设备和系统有关的科学技术。备和系统有关的科学技术。电子技术是研究电子器件，以及电子技术是研究电子器件，以及利用电子器件来处理电子电路中利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。储、发送和接收问题。又称为信息电子技术或信息电子又称为信息电子技术或信息电子学。学。 2.电子技术电子技术61.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续3）也称为也称为电力电子学电力电子学。利用利用电力电子开关器件电力电子开关器件组成电力开关电路，利用组成电力开关电路，利用集成电路和微处理器集成电路和微处理器构成构

4、成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，经济有效信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，经济有效地实现地实现开关模式的电力变换和电力控制开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。相位和波形的变换和控制。是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。电力电子技术的发展史是以电力电子技术的发展史是以电力电子器件电力电子器件的发展史为纲的发展史为纲3.电力电子技术电力电子技术(Power Electronics)7电力电子技术和电子技术

5、的关系电力电子技术和电子技术的关系电力电子电路电力电子电路(Power Electronic Circuit）和电子）和电子电路电路Electronic Circuit）许多分析方法一致，仅应用目的不同许多分析方法一致，仅应用目的不同广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路做电力电子电路 器件的工作状态器件的工作状态q 信息电子信息电子 既可放大，也可开关既可放大，也可开关q 电力电子电力电子 为避免功率损耗过大，总在开关状态为避免功率损耗过大，总在开关状态 电力电子技术的一个重要特征电力电子技术的一个重要特征 8电力电子技术与电气工程

6、的关系电力电子技术与电气工程的关系主要关系：电力电子技术广泛用于主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程电气工程中。中。1)电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、电镀、励磁、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、电镀、励磁、电加热、高性能交直流电源等电气工程领域。电加热、高性能交直流电源等电气工程领域。2)通常把电力电子技术归属于电气工程学科通常把电力电子技术归属于电气工程学科3)电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力气

7、工程的现代化以巨大的推动力9电力电子技术与控制理论的关系电力电子技术与控制理论的关系1) 控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求装置和系统的性能满足各种需求2) 电力电子技术可看成电力电子技术可看成“弱电控制强电弱电控制强电”的技术的技术，是，是“弱电和强电的接口弱电和强电的接口”，控制理论是实现，控制理论是实现该接口的强有力纽带该接口的强有力纽带3) 控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术101.1 电

8、力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续4）典型的电力电子系统框图典型的电力电子系统框图 3.电力电子技术电力电子技术(Power Electronics)111.1.电力变换的类型电力变换的类型2.2.交流机组实现电力变换交流机组实现电力变换3.3.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理1.2 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的基本原理及控制方法121.电力变换的类型电力变换的类型电源可分为两类：电源可分为两类：直流电（直流电（D.C） ，频率，频率f=0交流电（交流电（A.C） ，频率，频率f 0电力变换按电压电力变换按电压(电流电流

9、)的大的大小、波形及频率变换划分为小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。电力变换电路或电力变换器。这四类基本变换可以组合成这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器许多复合型电力变换器132.交流机组实现电力变换交流机组实现电力变换传统电力技术如何将交流电变为直流电？传统电力技术如何将交流电变为直流电？基本原理基本原理缺点缺点142.交流机组实现电力变换交流机组实现电力变换(续续1) 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？流电？基本原理基本原理缺点缺点153.利

10、用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理 如何用电力电子开关器件实现电能的变换？如何用电力电子开关器件实现电能的变换？基本原理基本原理图中的开关设为图中的开关设为理想开关理想开关 vo= Svi S为为开关函数开关函数 163.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续1)如何用电力电子开关器件实现电能的变换？DC/DC直流降压直流降压电路电路173.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续2)方案一方案一: 电阻降压电阻降压183.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(

11、续续3)方案二方案二: 串联晶体管串联晶体管193.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续4)方案三方案三: 串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理想开关理想开关,无损耗无损耗203.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续5)DTosDDVdttvTVs00)(1方案三方案三: 串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理想开关理想开关,无损耗无损耗开关周期开关占空比sTD213.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续6)方案三方案三:串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理想开关理想开关,无损耗无损

12、耗串联串联LC, 滤出谐波滤出谐波, 滤波器的截止频率滤波器的截止频率开关频率开关频率223.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续7)BUCK电路电路方案三方案三:串联单刀双掷开关串联单刀双掷开关,理想开关理想开关,无损耗无损耗增加控制回路增加控制回路233.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续8)工作方式工作方式相控、斩波相控、斩波分析方法分析方法傅立叶分解傅立叶分解 、积分、积分考虑问题考虑问题开关时刻、开关时刻、 滤波滤波AC/DC基本整流电路基本整流电路243.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现

13、电力变换的基本原理(续续9)工作方式工作方式方波、方波、PWM波波分析方法分析方法傅立叶分解傅立叶分解 考虑问题考虑问题开关时刻、开关时刻、 滤波滤波DC/AC基本逆变电路基本逆变电路253.利用开关器件实现电力变换的基本原理利用开关器件实现电力变换的基本原理(续续10)工作方式工作方式周期控制周期控制分析方法分析方法等效法等效法 考虑问题考虑问题开关时刻开关时刻AC/AC直接变频、变压直接变频、变压电路电路1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用1)一般工业一般工业 直流电动机有良好的调速性能，给其供电的直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源可控整流电源或或直流斩波电

14、源直流斩波电源都是电力电子装置都是电力电子装置近年来电力电子近年来电力电子变频技术变频技术的迅速发展，使的迅速发展，使交流电机交流电机的调速的调速性能可与直流电机媲美，性能可与直流电机媲美，交流调速技术交流调速技术大量应用并占据主大量应用并占据主导地位。几百导地位。几百W W到数千到数千kWkW的变频调速装置，软起动装置等的变频调速装置，软起动装置等电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合需要大容量

15、整热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源流电源。电镀装置也需要整流电源l返回1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用2) 交通运输交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电气机车中的直电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置变频装置。直流直流斩波器斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离

16、不开电力电子技术车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术电动汽车的电机靠电力电子装置进行电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换电力变换和驱动控和驱动控制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱驱动并控制动并控制1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术都离不开电力电子技术 如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子

17、技如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流交流变频调速变频调速已成为主流已成为主流 1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用3) 电力系统电力系统 电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有发达国家在用户最终使用的电能中有60%60%以上至少经过一以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。程

18、中，电力电子技术是关键技术之一。直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的年发展起来的柔性交流输电柔性交流输电（FACTSFACTS）也是依靠电力电子）也是依靠电力电子装置才得以实现的。装置才得以实现的。1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 无功补偿和谐波抑制无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。对电力系统有重要的意义。晶闸管控晶闸管控制电抗器制电抗器（TCRTCR）、）、晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器（

19、 TSCTSC）都是重要）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器静止无功发生器（SVGSVG）、有源电力滤波器有源电力滤波器（APFAPF）等新型电力电子装置具有更为）等新型电力电子装置具有更为优越的优越的无功功率和谐波补偿无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量变等，以进行电能质量控制，改善供电质量 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流

20、操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置蓄电池充电等都需要电力电子装置1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用4) 电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源直流电源供电供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸晶闸管整流电源管整流电源，现在已改为采用全控型器件的，现在已改为采用全控型器件的高频开关电高频开关电源源。各种计算机所需的工作电源现在也都采用高频开关。各种计算机所需的工作电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源电源。在

21、各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。在已逐渐取代了线性电源。1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用5) 家用电器家用电器 照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯 变频空调器变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子

22、是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备等电子设备的电源部分也都需要之一。电视机、音响设备等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。器也应用了电力电子技术。1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用6)其他其他 不间断电源不间断电源（UPSUPS）在现代社会中的作用越来越重要，）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大，但必须应用电力电子技术用量也越来越大，但必须应用电力电子技术航天飞行器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中中的各种电子仪器

23、需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术采用电力电子技术各种各种新能源新能源、可再生能源可再生能源及新型发电方式越来越受到重及新型发电方式越来越受到重视。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力视。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。这就需要电力电子技术。1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 为了合理地利用为了合理地利用水力发电水力发电（Waterpower

24、Waterpower）资源，近年来）资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。子技术。 核聚变反应堆核聚变反应堆在产生强大在产生强大磁场磁场和注入能量时，需要大容和注入能量时，需要大容量的量的脉冲电源脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些或某些特殊场合，常常需要一

25、些特种电源特种电源，这也是电力，这也是电力电子技术的用武之地。电子技术的用武之地。 1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW1kW以下，甚至几十瓦以下的功率范围内，电力电子技术以下，甚至几十瓦以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。 电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术技术研究的也就是电源技术 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机电力电子技术对节省