电力电子电路及系统-硕士

电力电子电路与系统主讲教师：电气工程学院刘志刚第一章绪论（2学时） 电力电子学的过去、现在与未来 第二章基本的数学基础（2学时） 矢量分析与变换方法 建立数学模型的基本方法 系统的小信号分析 系统的大信号分析 系统稳定性分析第三章电能变换的基本变换方式（2学时）AC～DC DC～AC DC～DC AC～AC第四章高频开关直流变换电路。（4学时） 直接变换器 间接变换器第五章带隔离变压器的高频开关直流变换电路。（4学时） 单端变换器 桥式变换器 推挽式变换器第六章谐振变换器与软开关技术（4学时）谐振逆变器零电压开关零电流开关零电压（零电流）多象限逆变器谐振链逆变器第七章电力电子技术在ＦＡＣＴＳ技术中的应用（4学时）

功率因数补偿 谐波补偿 动态电压补偿器 潮流控制器第八章可再生能源利用技术（4学时）

太阳能发电应用技术 风力发电应用技术第九章国际谐波标准及电力电子系统的电磁兼容性（2学时）

国际谐波标准 电磁兼容性第十章电力电子电路与系统的系统集成电力电子电路的系统集成电力电子系统的系统集成第十一章电力电子系统的测控与故障诊断测量技术故障诊断技术第十二章典型应用分析（4学时）不停电电源；电解电源与电镀电源；电力牵引（电力推进）及实验系统；直流输电；焊接电源；通讯电源；学习本课程之前应已先修过电力电子技术（电力电子学）及其相关的基础课程，如：电路原理，微电子技术，单片机原理及应用，自动控制原理，电机学，电力电子学，电力电子装置及应用等。特别强调请同学们在授课过程中注意听讲，并做笔记。关于………时间与地点授课形式： 讲课 论文讲评（IEEE论文）考试：作业（10％） 讲评（20％） 闭卷考试（70％）比较直接变换器和间接变换器的异同点。BOOST变换器的电压变比是否可无穷大？简要分析试构造两种双向流动的直流变换器。画出直接变换器和间接变换器的波纹模型。直接变换器和间接变换器引入高频变压器的目的是什么？变压器的引入会对系统带来什么影响，怎样解决？回扫变换器的隔离变压器漏感对变换系统产生什么影响？怎样求直流变换器的变比？电流型和电压型推挽变换器各是由哪些基本变换电路变换而来的？影响电力电子装置可靠性的因素有哪些？造成电力系统功率因数低的原因？谐波的来源？电力电子装置的效率与哪些因素有关？如何实现输入输出无波纹的CUK变换器。比较直接变换器和间接变换器的异同点。电压变比，电压极性，器件应力。如何构造双向能量流动变换器，两种方法：教材，一条桥臂。补偿方法，电流补偿（并联），电压补偿（串联）谐振原理在工程中的应用，直接变换器与间接变换器中为实现电气隔离而引入变压器后，对系统会带来什么问题。考虑漏感的影响，电压变化范围的变化，器件的应力的增加和减少，电压的损失（漏感的影响），损耗，电流型与电压型推挽变换器是由哪种变换器变换而来的。为什么要进行无功补偿（谐波及功率因数），谐波危害有哪些（电机损耗，电机的力矩扰动，无线通讯干扰，控制系统干扰，人体损害），功率因数低的原因（非线性负载装置的使用，感性负载，容性负载）及其危害？怎样进行谐波及功率因数的补偿（无源，有源，串联，并联）一、综述关于“电力电子电路与系统”功率变流系统解决的基本问题关于电力电子器件电能变换的各种变换方式及主要应用关于“电力电子电路与系统”定义：本科生“电力电子技术”的后续课。利用电路理论，现代微电子技术，计算机技术，现代控制理论，大规模集成电路技术，电力系统理论，实现电能各种形式之间的变换，以实现满足不同用电要求的目的。特点：功率范围大应用范围广涉及到的学科多理论与实践密切相联发展迅速（几乎每一项与电气工程相关的技术进步都会推进电力电子技术的发展）。构成基本元素与系统构成构成基本元素：二极管，IGBT等，电容，电感，电阻，控制电器，导线。系统构成：主电路及其吸收电路，控制电路，抗电磁干扰电路。现状：国内各著名大学均设有相关的专业方向美国设有国家电力电子研究中心（CPES）国家电力电子工程及研究中心。相关的先修基础课程电路原理微电子技术（包括：低频模拟电子，脉冲与数字电路）单片机原理及应用（包括DSP）计算机技术（仿真与控制）自动控制原理电力电子技术。电力电子电路与系统的基本问题能量变换的基本观点对能量的控制功率因数谐波效率可靠性系统成本（价格）性能与性价比存在与发展的必然性为获得高控制性能节能应用环保（或称绿色电力电子装置）带来的问题谐波问题功率因数问题效率问题噪声系统的干扰关于电力电子器件电力电子装置的研 制与设计方法系统输入输出参数的确定主电路及控制方法的确定系统仿真电路实验电路结构设计机械结构设计系统试验性能测试可靠性试验（电磁兼容性测试，温升试验，潮湿及振动试验等）系统定型发展主要方向：高可靠性高频化低成本低损耗高品质(系统稳定性,功率因数,谐波)应用前景(典型应用)：交通运输（铁路、城市交通、船舶）冶金（轧钢机、风机、水泵等）能源控制矿业、石油家用电器（变频空调等）航空航天（航空电源,风洞试验）市政（供水通风）

关于技术创新：新的电路原理或结构技术综合发展动力：社会的需求为电力电子技术发展的牵引力现代科学与技术为电力电子技术发展的推动力。二、基本的变换方法AC/DCDC/ACDC/DCAC/ACAC/DC单相半波不控整流单相全波不控整流单相半控整流单相全控整流三相半控整流三相全控整流PWMRECTIFIER（电压型，电流型）PFC整流电路。DC/AC可控硅有源逆变可关断器件的电压型无源逆变可关断器件的电流型无源逆变谐振逆变电流型推挽逆变电压型推挽逆变DC/DCBUCK变换器BOOST变换器BUCK/BOOST变换器CUK变换器两象限斩波器四象限斩波器(高频)变压器隔离的上述变换器。AC/AC循环变频器(周波变换器)矩阵变换器。三、谐振变换器零电压开关零电流开关零电压开关直直变换器零电流开关直直变换器两象限零电压变换器谐振链逆变器。四、电流或电压的补偿方案。电压补偿方案。电流补偿方案。五、三电平逆变器。六、应用实例分析：不停电电源；电解电源；电镀电源；电力牵引及实验系统；开关电源；蓄电池充电放电；直流供电；辅助电源；通讯电源；新型能源（光电池，风力发电）的利用；其他的应用。电解与电镀电源；不停电电源电力传动及拖动：电力机车，电传动内燃机车，矿井提升机，轧钢机传动。特点：大功率，四象限运行。主要技术关键：矢量控制，直接力矩控制，滑差控制。直流供电特点：大功率变换，滤波问题。主要技术关键：可靠性及滤波柔性供电技术：提高电力系统的动态供电品质潮流控制谐波及功率因数补偿电压跌落谐波及功率因数补偿特点：大功率，高频化，实时性。主要关键技术：实时控制，包括：谐波的实时监测，控制器的计算速度，开关器件的开关速度。电源应用：机车辅助电源微机及仪器仪表电源电源电解电镀电源微弧氧化电源焊接电源航空电源不停电电源通讯电源感应加热。机车辅助电源直交型辅助电源交直交型辅助电源焊接电源

图2第三种单端逆变电路

图5焊接时输出电流波形使用Tek公司A622电流探头，比例为10mv/A

洁净能源或可再生能源利用：风能发电太阳能发电潮汐发电生物能发电通讯电源特殊电源：电子模拟负载交流牵引电机的实验系统电力测功机水电解电源蓄电池充放电机补偿式交流稳压电源电子模拟功率负载交流牵引电机的实验系统能四象限运行零转速时保持恒转矩计算机集中控制及良好的人机接口各种参变量的实时采集测量试验分析系统结构主电路结构电力测功机实现能量反馈馈网电流低谐波含量电流源控制特性控制器的人机接口功率测量精度：1％蓄电池充放电机逆变器叠加技术实现变频调速输入电压6000V～10000V实现功率：数百千瓦以上高可靠性高效率便于维护（可不停机维护）系统具有以下优点：系统运行在功率因数约等于1的工况下，并可以对电网上的谐波进行补偿。开关管上通过的都是方波，开关损耗小，系统效率高。以DSP为主控芯片，系统具有良好的动态特性及较快的响应速度。采用集中分布式控制，具有很强的故障检测和有功、无功及电量统计功能。每个H桥与系统为触点式连接，可以在不停机的状态下进行局部的维护、维修。可以通过增加H桥的数目提高输出功率，在工程上易于实现大功率。系统采用冗余设计，在局部开关管出现问题时，系统可正常工作。电压等级较低，使开关管具有较低的dv/dt值，开关管及续流二极管上的损耗较小。电路原理

H桥的电原理图及输出波形七、电磁兼容国际谐波标准谐波及功率因数补偿电力电子系统的电磁兼容；FACTS技术应用。干扰问题（主要干扰源）直流电机换向接触器与继电器开合雷电浪涌静电白炽灯大功率用电装置启动抗干扰问题滤波屏蔽接地主要电磁兼容试验雷击浪涌试验静电试验脉冲群试验

八、DC/DC高频开关变换器高频的概念高频开关直－直变换器。直接变换器，波纹模型，滤波参数选择间接变换器，波纹模型，滤波参数选择连续与不连续运行直接变换器与间接变换器的比较九、带隔离变压器的高频开关

直－直变换器。单端变换器半桥变换器混合桥式变换器全桥变换器推挽变换器电路分析应用举例十、谐振变换器谐振逆变器零电压开关零电流开关零电压（零电流）多象限逆变器。谐振链变换器十一、影响电力电子装置或系 统可靠性的主要因素：器件质量电路设计的合理性电磁干扰使用环境：潮湿度，振动，温度，大气压控制系统稳定性：控制器的参数选择一般电力电子装置的寿命，平均无故障时间（MTBF）十三、最新IEEE及其他文献讲评及问题讨论。脉冲整流器（或四象限变流器）电压型电流型电压型