电力电子与现代控制电力电子线路及其触发控制三部分
电力电子技术
图7.32 电压型交直交系统再生制动时的等值电路
38
电力电子技术 PWM整流器在可再生能源中的应用
– 可再生能源（风能、太阳能、潮汐发电、水 力发电等）不可控 ，不能直接并入电网 。
– 太阳能发电并网系统
TD1 TD3 TD5
L C
Salor Array
VDC
Lf
Cf
TD4
TD6
TD2
图7.36 太阳能发电并网系统原理图
18
电力电子技术
其它方面的应用
• 常规电源：不停电电源、开关电源、微机及仪器 仪表电源、航空电源、通信电源等。 • 专用电源：电化学电源、蓄电池充电放电、电子 模拟负载、电解水电源、交流电子稳 压电源、脉冲功率电源等； • 新型能源：如太阳能电池，风力发电等； • 节能： 如利用变频器调节电动机转速
30
电力电子技术
三、整流电路基本工作原理
• 整流——交流到直流的变换
– 不控整流（二极管） – 相控整流（晶闸管） – PWM整流（IGBT）
31
电力电子技术
相控整流电路的一般结构
• 主电路: －交流电源：工频电网或整流变压器
－滤波器：为保证电流连续
－负载：阻性负载、阻感负载、反电势负载等 • 控制电路：模拟控制、数字控制、单片机、DSP
32
电力电子技术
单相桥式全控整流电路
• 工作原理（正半周）
ud
0 π
2 π
－ωt＝：发脉冲，T1T4导通
－ωt＝π：iT1=iT4=Id，T1T4仍然 导通，T2T3承受正电压
Ud
ωt
a
i2
u2 u2
i2 Id
u2
－ωt ＝π＋：T2T3导通，T1T4
电力电子技术
一、什么是电力电子技术
电力电子技术是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基础 上的一门边缘学科，它横跨“电子”、“电力”和“控制”三 个领域，主要研究各种电力电子器件，以及由电力电子器件所 构成的各种电路或变流装置，以完成对电能的变换和控制。它 运用弱电（电子技术）控制强电（电力技术），是强弱电相结 合的新学科。电力电子技术是目前最活跃、发展最快的一门学 科。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、 材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐 步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。
5
3、单相交流电动机的工作原理
单相异步电动机的主绕组通入单相交流电，产生强弱和方向 像正弦交流电作周期性变化的脉动磁场。
为使电动机能自动起动，定子铁心槽里嵌放两个绕组（主绕 组和辅助绕组），辅助绕组与主绕组在定子铁心槽中相差90º电角 度。
图3-23 脉动磁场
图3-24 电容式电动机接线
6
为使两相绕组中的电流有一个相位差，可在辅助绕组中串接 电容、电阻进行移相。
（6）PTC起动器
图3-22 用PTC起动的单相异步电动机
PTC起动器又称半导体起动器，具有正温度系数的热敏电阻器 件，具有在陶瓷原料中掺入微量稀土元素烧结后制成的半导体晶 体结构。它具有随温度的升高而电阻值增大的特点，有着无触点 开关的作用。
PTC元件与起动绕组串联，电机起动时，PTC元件的温度较低 ，电阻值较小，可近似为通路。电机起动电流很大（正常运转电 流的5-7倍），PTC元件在大电流作用下温度升高达临界温度(约 100oC)，元件的电阻值增大至几十千欧，使电流难以通过，可近似 为断路。此时，与之串联的起动绕组相当于断路，而运行绕组继 续使电动机正常运行。
电力电子技术的应用
电力电子技术的应用电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。
它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。
随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等血多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。
电力电子技术是近几年迅速发展的一种高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。
它不仅应用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。
以下分几个主要应用领域加以叙述。
一、一般工业工业中大量应用各种交直流电动机。
直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。
近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。
大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都广泛采用电力电子交直流调速技术。
一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
还有些不调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。
电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。
电镀装置也需要整流电源。
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。
电力电子技术在一般工业中的应用最主要的就是电机调速传动和电源。
电机调速传动又分工艺调速传动和节能调速传动两大类：工艺调速传动指工艺要求必须调速的传动，例如轧机，矿井卷扬，机床，造纸等以前用直流电动机驱动的机械的传动。
节能调速指风机、泵等以前不调速，为节能而改用调速。
二、交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术。
现代电力电子概述
第一章现代电力电子概述黄钰 2014223030041 一、电力电子技术概述电子电力技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三部分，是以电力为处理对象并集电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的综合性学科。
电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。
电子技术是一门涉及电子器件和由各种电子电路所组成的电子设备和系统的科学技术，控制技术是指利用外加的设备或装置使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数按照预定的规律运行。
采用半导体电力开关器件构成各种开关电路，按一定的规律，周期性地，实时、适式地控制开关器件的通、断状态，可以实现电子开关型电力变换和控制。
这种电力电子变换和控制，被称为电力电子学（Power Electronics）或电力电子技术。
电力电子技术不是电力技术与电子技术简单的叠加，而是将现代电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域实现电力变换和控制，是一门综合了电子技术，控制技术和电力技术的交叉学科。
电力电子器件是电力电子技术的基础，电力电子器件对电能进行控制和转换就是电子电力技术的利用在21世纪已经成为一种高新技术，影响着人们生活的各种领域，因此对对电子电力技术的研究具有时代意义。
传统电力电子技术是以低频技术处理的，现代电力电子的发展向着高频技术处理发展。
其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，在不断的发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。
电力电子技术在1947年晶体管诞生开始形成，接着1956的晶闸管的出现标志电力电子技术逐渐形成一门学科开始发展，以功率MOS-FET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的出现，表明已经进入现代电子电力技术发展时代。
二、国内外研究现状上世纪八十年代后，大规模和超大规模集成电路技术得到了广泛的应用，为电力电子技术的快速发展打下了良好的基础。
集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合应用。
以功率MOSFET和IGBT为代表的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件以及以低频技术处理问题为主的传统电力电子学正在向高频技术处理问题为主的现代电力电子学转变。
电力电子技术知识点总结
电力电子技术知识点总结电力电子技术是现代电力系统中的关键部分，它将电力系统与电子技术相结合，用于有效地控制、转换和传递电能。
本文将对电力电子技术的基本概念、分类和应用进行综述。
1. 电力电子技术的概述电力电子技术是指应用电子器件和电子控制器件来实现电力的调节、变换和传递的技术。
通过电力电子技术，可以实现电能的高效利用，提高能量转换效率和电力质量，同时也可以实现对电力系统的灵活控制。
2. 电力电子技术的分类电力电子技术根据其应用领域和转换方式可以分为多种类型，常见的包括：2.1 直流-直流变换技术（DC-DC）直流-直流变换技术主要是通过电力电子器件实现直流电能的调节和变换。
常见的直流-直流变换技术包括升压、降压、反相等。
2.2 直流-交流变换技术（DC-AC）直流-交流变换技术是将直流电能转换为交流电能，常见的应用场景包括太阳能发电系统和电动汽车充电桩。
2.3 交流-直流变换技术（AC-DC）交流-直流变换技术是将交流电能转换为直流电能，常见的应用场景包括电力系统中的整流器和UPS电源。
2.4 交流-交流变换技术（AC-AC）交流-交流变换技术主要是通过电力电子器件实现交流电能的调节和变换。
常见的交流-交流变换技术包括电压调节、频率调节和相位调节等。
3. 电力电子技术的应用电力电子技术在现代电力系统中有着广泛的应用，常见的应用包括：3.1 电力传输与配电电力传输与配电中的变压器、线路的无功补偿和电压调节等都会涉及到电力电子技术的应用。
通过电力电子技术，可以降低传输损耗、提高电力质量。
3.2 新能源发电电力电子技术在新能源发电领域有着重要的应用，如风能发电和太阳能发电系统中的逆变器、控制器等都需要电力电子技术来实现能量转换。
3.3 智能电网智能电网是未来电力系统的发展方向，电力电子技术在智能电网中有着重要的作用，通过电力电子器件和控制策略的应用，可以实现对电力系统的高效调节和控制。
4. 电力电子技术的发展趋势随着新能源的快速发展和电力系统的智能化改造，电力电子技术将得到更广泛的应用。
电气工程及其自动化专业课程
电气工程及其自动化专业课程课程名称：电路课程简介：本课程是电类（强电、弱电）专业本科生的专业基础课程。
本课程的任务主要是讨论线性、集中参数、非时变电路的基本理论与一般分析方法,使学生掌握电路分析的基本概念、基本原理和基本方法,提高分析电路的思维能力与计算能力,以便为学习后续课程奠定必要的基础。
教材：《电路》第四版邱关源主编高等教育出版社2003年参考书目：1、《电路分析基础》周宝编西南交通大学出版社2003年2、《电路分析基础》李瀚荪编高教出版社1993年3、《电路基础》王定中等编华南理工大学出版社1994年课程名称：模拟电子电路及实验课程简介：本课程是电气工程及自动化本科专业的主要技术基础理论课程之一，是该专业的主干课程。
本课程的教学目的是使学生掌握模拟电子电路的基本工作原理、基本分析方法和基本应用技能，使学生能够对各种由集成电路或/和分立元件构成的基本电路单元进行分析和设计，并初步具备根据实际要求应用这些单元电路构成简单模拟电子系统的能力，为后续专业课程的学习奠定坚实的基础。
教材：《电子技术基础（模拟部分）》康华光著高等教育出版社2003年参考书目：1、《模拟集成电路基础》（第二版）冯民昌著中国铁道出版社2003年。
2、《模拟电子电路基础》张凤言著高等教育出版社课程名称：数字电子电路及实验课程简介：本课程是电气工程及自动化本科专业的主要技术基础理论课程之一，是该专业的主干课程。
本课程的教学目的是使学生掌握数字逻辑与系统的基本工作原理、基本分析方法和基本应用技能，使学生能够对各种基本逻辑单元进行分析和设计，学会使用标准的集成电路和可编程逻辑器件，并初步具备根据实际要求应用这些单元和器件构成简单数字电子系统的能力，为后续专业课程的学习奠定坚实的基础。
教材：《电子技术基础（数字部分）》康华光主编高等教育出版社2003年参考书目：1、《数字逻辑与系统》侯建军主编中国铁道出版社2003年2、《模拟电路实验》自编讲义3、《数字电路实验》自编讲义课程名称：电力电子技术课程简介：电力电子技术又称为电力电子学，是一门跨学科的利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，包括对电压、电流、频率和相位的变换。
电力电子与现代控制_电力电子器件_第三部分
P1 N1 P2 N2
K
iG
iK
ts 存储 时间 tf 下降 时间
i tail
ttail 拖尾 时间
电感 L
阴极
GTO关断过程
1、晶闸管工作模式， 门极电流变负，满足关 断条件，此时GTO 中 两个等效三极管开始退 出饱和导通过程，清除 N1和P2区的存储过剩 载流子，所需时间为存 储时间。
2、GTO工作模式， α1+α2 < 1，此时GTO阳极 电压上升，阳极电流下降， 需要采用关断缓冲限制阳 极电压的上升速度，所需 时间为下降时间。
双向晶闸管
逆导晶闸管
光控晶闸管
门极可关断晶闸管
1. 可关断晶闸管的结构 ������ 可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)， GTO的内部包含着数百个共阳极的小
GTO元，可用门极信号控制其关断。目前，GTO的容量水平达6kA/6kV，开关频率<1kHz。
GTO结构，等效电路及符号 2. 可关断晶闸管的工作原理 (1) 开通过程 ������ GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，开通过程与晶闸相同。
栅极
G P
N2
G
绝缘栅
++++++
D
N N2
D
S
源极
N1
D S
N1
J1
J2 空 间 电 荷漏极 区
P
D
G S
G S
符号
J1
导电原理
J2 空 间 电 荷 区
基本结构
MOSFET基本结构，导通原理和符号 MOSFET导通原理： 利用栅极和源极之间的正电压，吸引自由电子堆积在P区上表面层，并使该层反型为N型；之后 N1-N-N2之间电子可以流动导电。 功率MOSFET导通时只有一种极性载流子（多子）参与导电。
现代电力电子学
研究生学位课程《现代电力电子学》的学习提纲与要求一．本课程的目的与意义目前电力电子技术已成为国家经济领域中不可缺少的基础技术和重要手段，大至兆瓦级的高电压大电流的电气工程直流输电，小Array至家用的各种电器，无不渗透电力电子技术。
国际上公认电力电子技术的诞生是以1957年第一个晶闸管问世为标志的。
电力电子这一名称迟至60年代才出现1974年，美国W.E.Newell用右图的倒三角形对电力电子学进行了描述。
认为电力电子学是电力学，电子学和控制理论三个学科交叉结合形成的一门新型学科，随着科学技术的发展电力电子技术又与控制理论、材料科学、图一描述电力电子学的倒三角电机工程、微电子技术、计算机技术等许多领域密切相关。
目前，电力电子技术逐步发展成为一门多学科相互渗透的中和性学科。
可以将电力电子技术定义为：以电力为对象，利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，若认为微电子技术的信息处理技术，那么电力电子技术就是电力处理技术。
电力电子学除涵括技术和应用外，还有电力电子技术和相关学科的理论问题。
目前，许多高新技术均与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的转换与控制相关。
现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理。
特别是能够实现大功率电能的频率变换，为多项新技术的发展提供了有力的支持。
因此，现代电力电子技术不仅本身是一项高新技术，而且是其它高新技术的发展基础，电力电子技术可应用到各工业、电力、交通、冶金、化工、电信、国防、家电等各个领域，尤其与微电子、计算机技术、现代控制理论相结合，其应用面越广，自动化水平，快速性和可靠性发展越来越快，技术水平越来越高，为现代生产和现代生活带来了深远的影响。
简而言之，电力电子技术应包含电力电子器件，电力电子电路，电力电子装置及其系统三方面的内容，这三者有着密不可分的关系，随着器件的不断发展，电路和装置乃至系统，更容易发展。
更加现代化。
现代电力电子技术有如下特点：1）集成化，2）高频化，3）全控化，4）电路弱电化，5）控制技术数字化，6）多功能化。
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电压型单相逆变电路
理想单相逆变器的输出交流电压和电流波形
iO
2 整流
1 逆变
3
4
VO
逆变 整流
理想单相逆变器及其输出电压和电流波形
四象限运行区间
理想单相逆变器应允许输出电压和电流相位角0-360°可实现无源逆变功能。
当io>0时，Vo<0
当io<0时，Vo>0
4、当T-和T+都导通时，直流母线被短路。
禁止状态
电压型单相半桥式逆变电路工作原理 （方波控制）
控制方法 1、T+、T-信号反相(互补)；
2、T+、T-各导通180度；
方波控制
VO
Vd/2 驱动 T+
驱动 T+
0
驱动 T-
t
iO
(b)负载电压 -Vd/2
区间1：Vo>0;io>0 区间4：Vo>0;io<0 2、当T-导通时，T+关断时，Vo<0:
等效为单刀双掷开关
区间2：Vo<0;io>0 区间3：Vo<0;io<0
电压型单相逆变电路
电压型单相半桥式逆变电路的基本工作状态
3、当T-和T+都关断时，Vo的方向取决于Io的方向；
控制系统无法直接控制 电压，除切换状态时， 一般尽量避免工作在此 状态。
+
T+
C
Vd
O
A
T-
_
N
D+ 滤波器
iO
L
+
D-
C
VO
_
改进的双向buck电路
iO
2 整流
1 逆变
3
4
VO
逆变 整流
运行区间
电压型单相逆变电路
电压型单相半桥式逆变电路
电压型单相半桥式逆变电路
拓扑与改进的双向buck电路相同（省略滤波器）
电压型单相逆变电路 电压型单相半桥式逆变电路的基本工作状态
1、当T+导通，T-关断时，Vo>0:
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19
谐波次数
负载电流频谱
电压型单相逆变电路的双极性SPWM控制
T1 VD
T2
Vcm Vrm
0
vab
VD 0
VD
D1 T3
D3
a
负载
ia
b
D2 T4
D4
N fc 9 fr
M Vrm
vc
Vcm
vr
3
2
2
2
v 调制波 r
v 载波 c
+
+
Vg
Vg1 ,Vg4 (T1 ,T4 )
t
iD
ia
(b)负载电压 -Vd
T1
VD
a
T2
D1 T3 ia Z
D2 T4
(a)电路
D3
b
D4
0
T1 T4
T 2 T3
R负载
t
ia
(c)电阻负载电流波形
T0 4
3T0 4
0
T0 2
T0 L负载
t
D 1 D4 T1 T4 D 2 D3 T 2 T3
控制方法：
ia
(d)电感负载电流波形
1、T1与T2；T3与T4信号反相（互补）。
-
-1
Vg2 ,Vg3 (T2 ,T3 )
-
(b)驱动信号生成电路
载波Vr：控制PWM周期的控制信号（三角波）； 调制波Vc：控制输出电压基波的控制信号；
2 载波比N：载波与调制波频率之比； t 调制比M：调制波与载波幅值之比。
T1与T2互补补通、 T3与T4互补补通、
vr为调制波 2 vc为对称的三角载波 t vr vc， T1、 T4通， vab VD
vr vc， T2、 T3通， vab VD
电压型单相逆变电路的单极性SPWM调制
Vd
vc
T1
a
T2
D1 T3
负载
ia
D2 T4
vr
D3
b
D4
vr
T1
T2 T3 T4
ua
ub
uab
正弦波Vr+ 三角波Vc
-1
+Vcc
+ A
-Vcc
+Vcc
+ B
-Vcc
T1
-1
T2
T3
-1
T4
T1与T2互补补通、 T3与T4互补补通、 vr- vr为调制波 vc为上下对称的三角载波 vr vc， T1导通，va VD vr vc， T2导通，va 0
0
T+
T-
R负载
t
iO
(c)电阻负载电流波形
T0 4
3T0 4
0
T0 2
T0 L负载
t
D+ T+ D- T-
iO
(d)电感负载电流波形
0
D+ T+ D-
2
T-
RL负载 t
(e)阻感负载电流波形
电压型单相桥式逆变电路（H桥）工作原理
Vab
Vd
驱动 T1 T4
驱动 T1 T4
（方波控制）
0
驱动 T2 T3
0
D1 D4
T 1 T4
D2
D3
2
T 2 T3
RL负载 t
(e)阻感负载电流波形 iD
(b)等效电路
2、方波控制
0
t
T1-T4各导通180度； T1、T4同步；T2、T3同步。
(f)阻感负载输入电流波形
电压型单相逆变电路（方波控制）谐波特性
负载电压谐波特性
1
vab t
4VD sin(nt) n1,3,5, n
1 逆变
3
4
VO
逆变 整流
运行区间
+
T+
C
Vd
A
_
N
iL
L
+
D-
C
VO
_
当iL>0时，等效为 单向buck电路
+
C
Vd
A
T-
_
N
D+ iL
L
+
C
VO
_
当iL<0时，等效为 单向boost电路
电压型单相逆变电路
改进的双向buck电路
将双向buck电路 拓扑输出负端从N 点变到O点，可以 实现双向电流和电 压输出。
vd vr- vc， T3导通，vb VD vd vr- vc， T4导通，vb 0
单相逆变电路的仿真（双极性和单极性SPWM调制）
Vd=300V，调制比M=0.8，载波比N=750/50=15 负载R=10欧姆，电感为20毫亨。
双极性SPWM
根据电压和电流波形和能量流动关系，可将单相逆变器的运行分为4个运行区间，对 应四个象限。
双向buck电路
双向buck电路拓 扑由单向可控开关 T+、T-和二极管 D+、D-构成;可输 出双向电流和单向 电压。
电压型单相逆变电路
+
T+
C
Vd
A
T-
_
N
D+
iL
iO
L
+
D-
C
VO
_
双向buck电路
iO
2 整流
幅值
0.5
总有效值Vab
2 T0
T0 0
2VD2dt
VD
0 1
3
5
7
9
11 13 15 17 19
谐波次数
基波有效值V1
4VD 2
22 VD
0.9VD
负载电压频谱
1
负载电流谐波特性
幅值
电感负载
阻感负载 电阻负载
电感和阻感负载电流谐波幅值相 0.5
对电压谐波衰减，谐波次数越大，
衰减越大。
原因：当电感量和电感端电压恒定 时，频率越大，感抗越大,电流越小。
电力电子线路及其控 制
3、DC/AC变换器
直流/交流逆变器
➢逆变器的类型 ➢电压型单相逆变电路工作原理
1、双极性SPWM控制 2、单极性SPWM控制 ➢电压型三相逆变电路工作原理 SPWM控制 ➢电流型逆变器电路的工作原理 ➢电压型多电平逆变电路
逆变器的类型
1、依据直流电源的特性不同可分为：电压型逆变器VSI 和电流型逆变器CSI