电力电子课件 - 华中科技大学 - 第1章 电力电子变换和控制技术导论
电力电子技术概述PPT课件
电力电子技术概述PPT课件•电力电子技术基本概念•电力电子器件•电力电子变换技术•电力电子系统分析与设计•典型应用案例剖析•发展趋势与挑战01电力电子技术基本概念它涉及到电力、电子、控制等多个领域，是现代电力工业的重要组成部分。
电力电子技术的核心是对电能进行高效、可靠、可控的转换，以满足各种用电设备的需求。
电力电子技术是一门研究利用半导体器件对电能进行转换和控制的学科。
电力电子技术定义从早期的整流器、逆变器到现在的高频开关电源、智能电网等，电力电子技术经历了多个发展阶段。
发展历程目前，电力电子技术已经广泛应用于工业、交通、通信、家电等各个领域，成为现代社会不可或缺的一部分。
现状随着新能源、智能电网等技术的不断发展，电力电子技术的应用前景将更加广阔。
未来趋势发展历程及现状工业领域电机驱动、电力系统自动化、工业加热等。
电动汽车、高速铁路、航空航天等。
通信电源、数据中心、云计算等。
变频空调、LED照明、智能家居等。
随着新能源技术的不断发展，电力电子技术在太阳能、风能等领域的应用将更加广泛；同时，智能电网的建设也将为电力电子技术的发展提供新的机遇。
交通领域家电领域前景展望通信领域应用领域与前景02电力电子器件电力二极管（Power Diode）结构简单，工作可靠导通和关断不可控主要用于整流电路晶闸管（Thyristor）四层半导体结构，三个电极导通可控，关断不可控主要用于相控整流电路可关断晶闸管（GTO）通过门极负脉冲可使其关断关断时间较长，需要较大的关断电流主要用于大容量场合电力晶体管（GTR）电流驱动的双极型晶体管导通和关断可控，但驱动电路复杂主要用于中等容量场合电力场效应晶体管（Power MOSFET ）电压驱动的单极型晶体管导通电阻小，开关速度快01主要用于中小容量场合02绝缘栅双极型晶体管（IGBT）03结合了MOSFET和GTR的优点01电压驱动，大电流容量，快速开关02目前应用最广泛的电力电子器件之一03电力电子变换技术整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用将交流电转换为直流电。
电力电子学_康勇_第1章电力电子变换和控制技术导论
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第 1 章电力电子变换和控制技术导论1 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1.电力技术2.电子技术3.电力电子技术1.电力技术✓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。
✓利用电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。
2.电子技术✓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备和系统有关的科学技术。
✓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电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。
✓又称为信息电子技术或信息电子学。
(Power Electronics)3.电力电子技术✓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、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。
✓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(Power Electronics)典型的电力电子系统框图1.2 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、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最佳工况所需要的另一种特性和参数(频率、电压、相位和波形)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。
1.3 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法1.电力变换的类型2.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1.电力变换的类型✓电源可分为两类：直流电（D.C），频率f=0交流电（A.C），频率f 0✓电力变换按电压(电流)的大小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。
电力电子技术第一章
2、正向压降UF
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
3、反向重复峰值电压URRM
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电 压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照 电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选 定此项参数。
图1-3 电力二极管的伏安特性
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降 时间与延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示。
通或者 关断的控制。
❖电压驱动型
----仅通过在控制端和公共端之间施加一定的
电压信号就可实现导通或者关断的控制。
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电力电子技术第一章
1.2 不可控器件—电力二极管
➢1.2.1 电力二极管的工作原理 ➢1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数
Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路 中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可 达数千安培，额定电压达数千伏以上。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
②快恢复二极管
电力电子技术课件-第1章 电力电子器件 200页
(1) 欲使晶闸管导通需具备两个条件：
① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电 压。
② 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向 电压和电流。
(2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用， 故晶闸管为半控型器件。
(3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小 到一定数值以下，这只有用使阳极电压减 小到零或反向的方法来实现。
(4) 擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号
之后，要器件维持通态所需要的最小阳极 电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住 电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。
(5) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶
(1) 额定电压
断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM 中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。 通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安 全裕量。
(2) 额定电流IT(AV) 在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在
电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导 通(导通角> 170°)，在稳定的额定结温时所允许 的最大通态平均电流。
功率二极管的开关特性
2. 功率二极管的主要参数
(1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80％称为反 向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管 的额定电压URR。显然，URRM小于二极管 的反向击穿电压URO。
(2) 额定电流IFR
二极管的额定电流IFR被定义为其额定发 热所允许的正弦半波电流平均值。其正向 导通流过额定电流时的电压降UFR一般为 1～2V。当二极管在规定的环境温度为 +40℃和散热条件下工作时，通过正弦半波 电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过 允 电许流值为。若正弦电流的最大值为Im，则额定
华中科技大学电工电子学课件第1章
二、电路模型 (circuit model) 1. 理想电路元件：根据实际电路器件所具备的电磁性质所 抽象出来的、具有某种单一电磁性质的元件，其伏安关系 u～i 可用简单数学公式严格表示。 用于表示实际器件主要特性的几种理想电路元件： 电阻：消耗电能的器件，将电能转变成其他形式的能量 电感：各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用 电容：各种电容器产生电场，储存电能的作用 电源：各种将其它形式的能量转变成电能的器件，有 电压源和电流源两种形式 受控电源：电量之间控制关系的器件
–
B
U >0
U<0
电路中不要标出电压的实际方向
标电压参考方向的三种方式：
(1) 箭头表示：箭头指向为电压(降)的参考方向
U A B
(2) 正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压 的参考方向
A
+
U B UAB B
(3) 双下标表示：如 UAB , 由A指向B的方向为电压的参考方向
A
小结：
例如：i =1A，R=1Ω
当
dP =0 时 dRL
P = P max ，即，当满足条件： RL= RS
负载获得最大功率：
US 2 P max = 4 RL
RL= RS时，电路效率： η= PRL/ PUS = 50%
1.4 电阻元件、电感元件和电容元件
一、电阻元件
1.线性电阻 R=Const，与流过的电流无关。 伏安关系为过原点的直线。 VAR：关联方向，R= u / i = U/ I ；
电流的参考方向
10V
+
10kΩ
I=1mA
1A
I？
/
不正确 不正确
2A
元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:
电力电子学_第三版_第01章
第1章 电力电子变换和控制技术导论
5
3. 控制技术
• 模拟（连续）控制技术。 • 数字（离散）控制技术。 • 理论与技术的进步，促使数字控制技
术越来越多取代模拟控制技术。例： 变频器控制技术的发展史。 • 自动控制理论（含经典和现代）、现 代电机控制理论等等，是促进电力电 子技术不断发展的源泉之一。
对图（a）示开关电路中的四个开关器件进行实时、适式的高
频通、断控制，可以由变换器的输出端得到所需要的、任意波形的
周期性或非周期电压或电流。将此变换器的输出电压串接在电力线 路上即可补偿和调控电网线路电压，改变线路电流；将此变换器输 出的电流并联接入电网，即可补偿负载电流或控制电网电流。从而
调控系统有功和（或）无功功率。
串联、并联补偿器都能显著地改善电力系统的运行特性和运行 经济性。
第1章 电力电子变换和控制技术导论
32
阻抗补偿控制器
将图（b）所示的电感、电容或电阻经一个可控的开关器件S 并联接入或串联接入交流电网就构成了一个阻抗补偿控制器。对 开关器件进行实时、适式的通、断控制，就可以改变电网的等效 负载阻抗或等效线路阻抗，从而补偿控制电网、负载的电压、电 流、功率。
第1章 力电子变换和控制技术导论
26
开关型电力电子变换器的应用领域
开关型电力电子变换电源 开关型电力电子补偿控制器
第1章 电力电子变换和控制技术导论
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开关型电力电子变换电源
电力系统中的直流远距离输电 直流电动机变速传动控制 交流电动机变速传动控制 变速恒频发电系统 电解、电镀等应用领域中的低压大电流可
控直流电源。 各 类 高 性 能 的 不 间 断 供 电 电 源 (UPS ，
电力电子技术完整版全套PPT电子课件
contents
目录
• 电力电子技术概述 • 电力电子器件 • 电力电子电路 • 电力电子技术的控制策略 • 电力电子技术的实验与仿真
01
电力电子技术概述
电力电子技术的定义与发展
定义
电力电子技术是一门研究利用半 导体器件对电能进行变换和控制 的科学。
发展历程
饱和压降等特性
05
广泛应用于电机控制、电源转
换等领域
06
03
电力电子电路
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
整流电路的应用
列举整流电路在电力电子领域的应用 ，如电源供应器、电池充电器和电机 驱动器等。
整流电路的类型
详细阐述不同类型的整流电路，如单 相半波整流电路、单相全波整流电路 、三相半波整流电路和三相全波整流 电路等。
光调光器和电加热温度控制器等。
一般工业应用
01
02
03
电动机控制
利用电力电子技术实现对 电动机的启动、调速、制 动等控制，提高工业生产 效率。
电热控制
通过电力电子技术对电热 设备进行控制，实现精确 的温度控制和节能效果。
照明控制
利用电力电子技术研发的 照明控制系统，可实现对 照明设备的智能控制和节 能管理。
。
应用领域
适用于对控制精度要求不高、成 本敏感的场合，如某些电源管理
、电机驱动等。
优缺点分析
优点在于实现简单、成本低；缺 点在于控制精度低、易受干扰、
调试困难。
数字控制技术
原理与特点
基于数字电路和微处理器实现控制，具有控制精度高、灵活性好 、易于实现复杂控制算法等特点。
电力电子第1章
晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳
极与阴极间施加一定的正向阳极电压，器 件也仍处于正向阻断状态，只有很小的正 向漏电流流过。 外加的阳极正向电压在其转折电压以下时， 只要在门极注入适当的电流(一般为毫安 级)，器件也会立即进入正向导通状态 。
1.2.1 晶闸管的阳极伏安特性
1.4 双向晶闸管
双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图
1.4 双向晶闸管
双向晶闸管（TRIAC）内部结构可看 做两只普通晶闸管反向并联，引出的 三个端子为主极T1，T2和门极G。它 具有正、反向对称的伏安特性，主要 参数有断态重复峰值电压和额定通态 电流，因双向晶闸管正
、反向都能触发导通，所以额定通态 电流为有效值。
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件 上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件 上的反向峰值电压。
通态（峰值）电压UT
——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的 瞬态峰值电压。
1.3.2 晶闸管的电流参数
通态平均电流 IT(AV）
通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对 应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或 稍多一点。
1.5.2 功率晶体管的特性
集电极最大耗散功率PcM
最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接 表示了最高工作温度 。
1.6 功率场效应晶体管
第1章 晶闸管概述
晶闸管是由多种器件组成的家族，而 被广泛使用的普通晶闸管则是这个家 族中的一员，俗称可控硅整流器 （SCR，Silicon Controlled Rectifier），简称可控硅，其规范 术语是反向阻断三端晶闸管。
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2
1.1 电力电子学科的形成
1.电力技术 2.电子技术 3.电力电子技术
3
1.1 电力电子学科的形成（续1）
1.电力技术
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。
利用电磁学(电路、磁路、
电场、磁场的基本原理)， 处理发电、输配电及电力 应用的技术统称电力技术。
Ts
0
vo (t ) dt DV D
D 开关占空比 Ts 开关周期
18
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续6)
方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 串联LC, 滤出谐波, 滤波器的截止频率<<开关频率
19
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续7)
方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 增加控制回路
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
v(t)=v(t+T)、i(t)=i(t+T)往往具有对称性
24
1.5 开关型电力电子变换器的应用领域
1. 开关型电力电子变换电源
2. 开关型电力电子补偿控制器
25
电机传动
26
NASA 风洞
27
富士高速机车
28
新能源发电
29
未来电力系统
电力电子学
——电力电子变换和控制技术（第二版）
第1章 电力电子变换和控制技术导论
1 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
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课程学习要求
掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术 掌握典型电力电子变换器的主电路拓扑结构、运行过程、工
作波形、控制要求
掌握常用的电力电子变换电路的分析方法 了解电力电子变换器的应用领域 电力电子学是一门实践性很强的专业基础课程，应主动对待
实验，培养实际工作能力。
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3.电力电子技术(Power Electronics)
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
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、 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。 电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲
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3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续10)
AC/AC直接变频、变压电路
工作方式 周期控制 分析方法 等效法 考虑问题 开关时刻
23
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
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
基本原理 缺点
12
3.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？
基本原理
图中的开关设为理想开关
vo= S×vi
S为开关函数
13
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1)
如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
DC/DC直流降压电路
14
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2)
方案一: 电阻降压
15
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续3)
方案二: 串联晶体管
16
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续4)
方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗
17
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续5)
方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗
VD 0
1 Ts
6
1.1 电力电子学科的形成（续4） 3.电力电子技术(Power Electronics) 典型的电力电子系统框图
7
1.2 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、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最佳工况所需
电力变换按电压(电流)的大
小、波形及频率变换划分为 四类基本变换及相应的四种 电力变换电路或电力变换器。 许多复合型电力变换器
这四类基本变换可以组合成
10
2.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？
基本原理
缺点
11
2.交流机组实现电力变换(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 流电？
4
1.1 电力电子学科的形成（续2）
2.电子技术
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 备和系统有关的科学技术。
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 电信号的产生、变换、处理、存 储、发送和接收问题。
又称为信息电子技术或信息电子
学。
5
1.1 电力电子学科的形成（续3）
要的另一种特性和参数(频率、电压、相位和波形)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。
8
1.3 开关型电力电子变换的基本原理及控制方法
1.电力变换的类型 2.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
9
1.电力变换的类型
电源可分为两类：
直流电（D.C） ，频率f=0 交流电（A.C） ，频率f0
BUCK电路
20
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续8)
AC/DC基本整流电路
工作方式 相控、斩滤波
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3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续9)
DC/AC基本逆变电路
工作方式 方波、PWM波 分析方法 傅立叶分解 考虑问题 开关时刻、 滤波