第 1 章 电力电子变换及控制技术导论

1、现代电力电子技术第 1 章 电力电子变换和控制技术导论1.1 电力电子学科的形成1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义1.3 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法1.4 开关型电力电子变换器基本特性1.5 开关型电力电子变换器的应用领域课程学习要求1.1 电力电子学科的形成电力电子学科的形成1.电力技术电力技术2.电子技术电子技术3.电力电子技术电力电子技术1.1 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电力技术是一门涉及发电、输电、配电及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。电力应用的科学技术。利用电磁学利用电磁学( (电路、磁电路、磁路、电场、磁场的基路、电场

2、、磁场的基本原理本原理) )，处理发电、，处理发电、输配电及电力应用的输配电及电力应用的技术统称电力技术。技术统称电力技术。 1.电力技术电力技术1.1 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学，它是与电子技术又称为电子学，它是与电子器件、电子电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

3、称为信息电子技术或信息电子学。学。 2.电子技术电子技术1.1 电力电子学科的形成（续电力电子学科的形成（续3）也称为电力电子学。也称为电力电子学。利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用集成电路和微处理器构成利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用集成电路和微处理器构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、地实现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、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

4、、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器件的发展史为纲电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲3.电力电子技术电力电子技术(Power Electronics)1.1 电力电子学科的形成（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)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为了满足一定的生产工艺和流程的要求，供电电源的电压、为了满足一定的生产工艺和流程的要求，供电电源的电压、频率甚

5、至波形都必须满足各种用电设备的不同要求。频率甚至波形都必须满足各种用电设备的不同要求。将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为各个用电设备将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为各个用电设备最佳工况所需要的另一种特性和参数最佳工况所需要的另一种特性和参数(频率、电压、相位和波频率、电压、相位和波形形)的电能，再供负载使用，用电设备可以获得更好的技术特的电能，再供负载使用，用电设备可以获得更好的技术特性和更大的经济效益。性和更大的经济效益。1.电力变换的类型电力变换的类型2.交流机组实现电力变换交流机组实现电力变换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1.3 开

6、关型电力电子变换的基本原理开关型电力电子变换的基本原理及控制方法及控制方法1.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)的的大小、波形及频率变换划大小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电的四种电力变换电路或电力变换器。力变换器。这四类基本变换可以组合这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器成许多复合型电力变换器2.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

7、何将交流电变为直流电？基本原理基本原理缺点缺点2.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？的交流电？基本原理基本原理缺点缺点3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理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理想开关图中的开关设为理想开关 vo= Svi S为开关函数为开关函数 3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(续续1)如何用电力电子开关器件实现

8、电能的变换？如何用电力电子开关器件实现电能的变换？DC/DC直流降压电路直流降压电路3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(续续2)方案一方案一: 电阻降压电阻降压3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(续续3)方案二方案二: 串联晶体管串联晶体管3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(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3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(续续5)DTosDDVdttvTVs00)(1方

9、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sTD3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(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3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(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3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力

10、变换的基本原理原理(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3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(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3.利用开关器件实现电力变换的基本利用开关器件实现电力变换的基本原理原理(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

11、刻开关时刻AC/AC直接变频、变压直接变频、变压电路电路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开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路输出、输入端附加、滤波器，可以改善输出电压和输入电输出、输入端附加、滤波器，可以改善输出电压和输入电流波形流波形通常采用开关周期平均值（状态空间平均法）和傅立叶级通常采用开关周期平均值（状态空间平均法）和傅立叶级数分析其工作特性数分析其工作特性电力电子变换电路中的电压、电流周期性时间函数电力电子变换电路中的电压、电流周期性时间函数 v(t)=v(t+T)、i(t)=i(t+T)往往具有对称性往往具有对称性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q开关型电力电子变换电源开关型电力电子变换电源q开关型电力电子补偿控制器开关型电力