【大学课件】 电力电子技术

电力电子技术概论电力电子技术是将电力系统与电子技术相结合的学科。它研究电力电子器件，电路及系统，以及它们在电力系统中的应用。功率半导体器件及其特性11.二极管二极管是一种单向导电元件，允许电流在一个方向流动，但在相反方向阻止电流流动。22.晶体管晶体管是一种电流控制电流的半导体器件，可用于放大和开关信号。33.可控硅可控硅是一种可控的单向开关元件，可以用脉冲信号控制其导通和截止状态。44.场效应管场效应管是一种电压控制电流的半导体器件，广泛应用于功率放大、开关控制等领域。整流电路1单相整流单相整流电路将交流电转换为直流电，常见的类型包括半波整流和全波整流。2三相整流三相整流电路将三相交流电转换为直流电，主要应用于高功率电力系统中，如电力机车、电焊机等。3桥式整流桥式整流电路使用四个二极管组成桥式结构，能够有效降低整流器的功率损耗。平滑滤波电路1降低纹波平滑滤波电路可以有效降低整流电路的输出电压纹波。2提高直流电压稳定性平滑滤波电路可以使输出电压更加平稳，提高电路的稳定性。3改善负载特性平滑滤波电路可以减小输出电压受负载变化的影响，使输出电压更加稳定。平滑滤波电路通常使用电容作为滤波元件。电容的容量越大，滤波效果越好。直流-直流变换电路基本概念直流-直流变换电路将一个直流电压转换为另一个直流电压，广泛应用于电源、电池充电器等领域。工作原理通常利用开关器件（如MOSFET或IGBT）的开闭控制来调节输出电压。应用例如，将电池的低电压转换为手机或笔记本电脑所需的高电压。分类直流-直流变换器可以分为升压型、降压型和隔离型等。脉冲变压器及其应用脉冲变压器是一种专门用于处理脉冲信号的变压器，广泛应用于电力电子领域。它通常由铁氧体磁芯构成，具有较高的磁导率和较低的损耗，能够有效地传递高频脉冲信号。脉冲变压器主要应用于开关电源、脉冲调制器、高压发生器、信号耦合、隔离等领域。它可以实现电压升压、降压、隔离、信号转换、脉冲整形等功能。变压器饱和及其特点磁芯饱和当铁芯中的磁通量超过其磁化能力时，铁芯会进入饱和状态。此时，磁通量不再随电流线性增加，导致变压器性能下降。磁滞现象铁芯在磁化过程中，磁化曲线呈现出滞后现象，导致变压器产生额外的损耗，影响效率。磁通量泄漏变压器饱和会导致磁通量泄漏，导致变压器匝间电压升高，并增加电磁干扰。工作效率降低饱和状态下，变压器损耗增加，导致效率降低，并可能导致过热。开关电源的工作原理1直流转换将交流电转换为直流电2脉冲宽度调制(PWM)使用开关控制电压的占空比3滤波平滑输出电压，去除噪声4反馈控制调节输出电压以达到目标值开关电源的核心是使用开关器件进行电压转换，利用PWM技术控制开关的导通时间，从而改变输出电压的平均值。滤波器用于平滑输出电压，反馈控制系统则用于稳定输出电压，并根据负载变化进行调节。开关电源的输出滤波电路1LC滤波器LC滤波器是开关电源输出滤波中最常见的类型。它由电感和电容组成，用来抑制输出电压中的高频纹波。2π滤波器π滤波器是另一种常用的输出滤波器。它由两个电容和一个电感组成，可以提供更高的滤波效果。3主动滤波主动滤波使用反馈机制来动态调整滤波器的特性，以实现更精确的滤波效果。开关电源的驱动电路驱动信号的产生驱动电路负责产生控制开关器件的开关信号，通常使用集成电路芯片实现，例如脉冲宽度调制(PWM)控制器。驱动信号的放大开关器件的栅极或基极需要足够的电流才能可靠地开关，因此驱动电路需要放大控制信号。驱动信号的隔离为了防止高压侧信号干扰低压侧电路，驱动电路通常采用隔离技术，例如光耦合器或高压隔离器。驱动信号的保护驱动电路需要具备过压、过流、短路等保护功能，以确保开关器件的安全运行。高频开关变换拓扑升压式变换器将低压直流电压升至高压直流电压。降压式变换器将高压直流电压降至低压直流电压。升降压式变换器输出电压可以高于或低于输入电压。反激式变换器拓扑原理反激式变换器利用变压器磁能储存能量，并通过开关控制电流方向，实现电压升降。主要特点是其简单结构，易于实现控制，在低功率应用中较为常见。应用适用于低功率应用，例如手机充电器、笔记本电脑电源等。在某些特殊情况下，也可能用于中等功率应用，但需要更高功率的器件支持。正激式变换器拓扑电路结构正激式变换器采用一个开关管，当开关管导通时，电流从输入端流经开关管和变压器初级绕组，然后通过整流二极管和输出滤波器到达负载。效率特点正激式变换器效率较高，适用于中等功率和高效率的应用。应用场景正激式变换器广泛应用于笔记本电脑适配器、LED照明电源等。双管推挽变换器拓扑结构特点双管推挽变换器采用两个功率开关管，它们交替工作，实现输出电压的升降。这种拓扑结构能够有效提高输出功率和效率。工作原理当一个开关管导通时，另一个开关管截止，电流流过负载。当开关管切换状态时，储能元件释放能量，保持输出电压稳定。功率因数校正技术1提高效率功率因数校正可以减少无功功率消耗，提高系统效率。2降低损耗降低电流谐波含量，减少线缆和设备的损耗。3提高电压质量改善电网电压波形，降低电压波动和电压跌落。4保护设备减少电网谐波污染，保护其他设备免受谐波干扰。三相整流电路1三相全波整流六个二极管2三相半波整流三个二极管3三相桥式整流六个二极管三相整流电路可以将三相交流电转换为直流电。不同类型的三相整流电路具有不同的特点和应用场景。三相桥式整流电路1基本原理将三相交流电转换为直流电2工作方式利用六个二极管构成桥式结构3输出特性输出电压波形为脉动直流4应用场景广泛应用于电源系统三相桥式整流电路是一种常见的电力电子电路，其工作原理是利用六个二极管构成桥式结构，将三相交流电转换为直流电。该电路的输出电压波形为脉动直流，并可通过滤波电路进一步平滑。PWM波在电源中的应用电压控制PWM波可实现对直流电压的精确控制，从而调节输出电压。频率控制PWM波的频率可调，可以改变电源的输出频率，适用于各种应用场景。电流控制PWM波可用于控制电流的大小和方向，实现对负载电流的精确控制。开关频率PWM波的开关频率决定了电源的效率和噪声水平。电机调速系统概述电机调速系统是一种通过控制电机转速来调节负载运行速度的系统。该系统广泛应用于工业自动化、交通运输、家用电器等领域，具有调节速度、提高效率、节省能源等优点。可控整流电机驱动可控整流工作原理可控整流器利用可控硅等半导体器件，将交流电源转换为可控直流电压。可控整流器可以控制直流电压的大小和方向，实现对电机转速的调节。典型结构可控整流电机驱动系统通常包括可控整流器、直流电机、控制电路和保护电路。可控整流器将交流电源转换为可控直流电源，驱动直流电机。控制方法常见的控制方法包括相位控制、脉宽调制（PWM）控制等，可以根据需要选择不同的控制方式。相位控制通过改变可控硅导通角来调节直流电压，PWM控制通过改变脉冲宽度来控制直流电压。应用场景可控整流电机驱动广泛应用于各种工业设备，例如起重机、机床、电梯等。其特点是结构简单、成本低廉，但在性能和效率方面存在一定的局限性。变频调速电机驱动1电压频率控制通过改变电压和频率，控制电机转速和转矩2矢量控制通过控制电机转子的磁场方向，实现高精度控制3直接转矩控制直接控制电机转矩，无需转速反馈变频调速电机驱动是目前应用最广泛的电机控制方式之一。它通过改变电机供电频率，改变电机转速。变频调速电机驱动系统主要由变频器和电机组成。变频器将工频电源转换成可调频率的交流电源，并控制电机的运行。步进电机驱动电路1步进电机驱动电路驱动电路负责控制步进电机的转动方向和速度。2驱动类型常见类型包括单极性驱动、双极性驱动和混合驱动。3驱动芯片常见的驱动芯片有L298N、DRV8825等，可实现对步进电机的精确控制。4控制系统微控制器或单片机用于生成控制信号，以控制步进电机的运动。步进电机驱动电路可分为单极性驱动、双极性驱动和混合驱动等类型，驱动芯片常用的有L298N、DRV8825等，这些驱动芯片能够实现对步进电机的精确控制，而控制系统则是由微控制器或单片机来完成。VVVF电机驱动技术电机调速效率高VVVF驱动技术可实现电机平滑起动和停止，有效降低能耗，提高效率。应用场景广泛广泛应用于地铁、高铁、电梯、工业自动化等领域，提高设备性能和效率。控制系统精确采用先进的控制技术，实现对电机转速和转矩的精确控制，提高系统稳定性和可靠性。直流电机驱动系统1直流电机驱动系统的组成主要由直流电机、控制电路、功率电子器件以及传感器等组成。2工作原理通过控制电路调节电源电压，改变电机的转速和转矩，从而实现对直流电机的控制。3应用领域广泛应用于工业生产、交通运输、家用电器、机器人等领域。感应电机矢量控制系统1矢量控制精确控制电机转矩和转速2转子磁场定向实时估计转子磁场方向3空间矢量脉宽调制优化电机控制性能矢量控制系统通过实时测量电机电流和电压，精确控制电机的转矩和转速。系统利用转子磁场定向技术，实时估计转子磁场方向，并根据目标转速和转矩，生成相应的控制信号，驱动电机运行。无刷直流电机驱动系统1转子结构永磁体固定在转子上，无需碳刷。2传感器通过霍尔传感器或其他技术检测转子位置。3控制电路根据转子位置和指令信号控制电机。无刷直流电机驱动系统是将直流电转换为交流电，驱动无刷直流电机的系统。无刷直流电机驱动系统应用广泛，例如电动汽车、机器人和工业设备。谐振式逆变电路谐振原理利用LC谐振电路的特性，提高电压和电流的效率。波形控制通过控制谐振频率和相位，实现电压和电流的精准调节。应用场景高频感应加热电力电子设备无线电力传输逆变器在微网中的应用微网是一种独立于主电网的电力系统，它通常由分布式发电、储能和负荷组成。逆变器在微网中扮演着至关重要的角色，将直流电源转换为交流电源，并实现微网的控制和管理。逆变器可以连接到各种分布式发电系统，如光伏发电、风力发电等，并将直流电转换为交流电，以实现微网的稳定运行。逆变器还可以充当电力电子接口，实现能量在不同电源和负荷之间的传递，提高微网的效率和可靠性。电力电子技术的新进展与展望宽禁带半导体SiC和GaN等宽禁带半导体正在改变电力电子器件的效率和功率密度。它们能够在更高的温度和电压下运行，同时减少能耗。人工智能人工智能正在用于优化电源系统的性能，例如通过预测性维护和智能控制，提高可靠性和效率。电力