1、第1章 電力電子變換和控制技術導論 1電力電子學電力電子學電力電子變換和控制技術（第三版）陳陳 堅堅 編著編著華中科技大學華中科技大學2第一章第一章 電力電子變換和控制技術導論電力電子變換和控制技術導論1.1 1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義1.31.3開關型電力電子變換基本原理及控制方法開關型電力電子變換基本原理及控制方法 1.41.4開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性1.5 1.5 開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子變換器的應用領域第1章 電力電子變換和控制技術導

2、論 3第一章第一章 電力電子變換和控制技術導論電力電子變換和控制技術導論1.1 1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義1.31.3開關型電力電子變換基本原理及控制方法開關型電力電子變換基本原理及控制方法 1.41.4開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性1.5 1.5 開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子變換器的應用領域第1章 電力電子變換和控制技術導論 4電力電子學科的形成電力電子學科的形成第1章 電力電子變換和控制技術導論 1.電力技術電力技術 所用設備：所用設備： 電機電機

3、 開關開關 變壓器變壓器 電感電感 電容電容 輸電線輸電線 完成功能：完成功能： 發電發電 輸電輸電 配電配電 用電用電 基礎理論：基礎理論： 電路電路 磁路磁路 電磁場電磁場 5電力電子學科的形成電力電子學科的形成第1章 電力電子變換和控制技術導論 2.電子技術電子技術 所用器件：所用器件： 晶體管晶體管 場效應管場效應管 集成電路集成電路 微處理器微處理器 電感電感 電容電容 完成功能：完成功能： 信號產生、變換、存儲、信號產生、變換、存儲、發送、接受發送、接受 基礎理論：基礎理論： 電路電路 磁路磁路 電磁場電磁場 3. 控制技術控制技術 模擬（連續）控制技術。 數字（離散）控制技術。

4、理論與技術的進步，促使數字控制技術越來越多取代模擬控制技術。例：變頻器控制技術的發展史。 自動控制理論（含經典和現代）、現代電機控制理論等等，是促進電力電子技術不斷發展的源泉之一。7電力電子學科的形成電力電子學科的形成第1章 電力電子變換和控制技術導論 .電力電子技術電力電子技術 所用器件：所用器件： 晶體管晶體管 場效應管場效應管 集成電路集成電路 微處理器微處理器 電感電感 電容電容 完成功能：完成功能： 發電發電 輸電輸電 配電配電 用電用電 中的電能變換與控制中的電能變換與控制 基礎理論：基礎理論： 電路電路 磁路磁路 電磁場電磁場 典型的電力電子系統框圖 返回本節9電力電子學科的形成

5、電力電子學科的形成第1章 電力電子變換和控制技術導論 4.電力電子技術發展史電力電子技術發展史電力電子技術的發展史以電力電子器件的發展史為綱1904193019471958197019801990 2000t(年)全控型器件迅速發展晶體管誕生晶閘管問世電子管問世史前期（黎明期）水銀（汞弧）整流器時代晶閘管時代IGBT出現功率集成器件5. 電力電子學的特點電力電子學的特點 內容涵蓋面寬，新知識、新概念多、實踐性強。需要善于歸納總結。電力電子學內容主要包括： 電力電子器件、電力電子電路（各類變換器）、電力電子應用系統（裝置）三大部分，本課程學習的重點在電力電子電路。 功率器件主要工作在開關狀態，以

6、功率器件為主構成的電路是一個離散的、非線性電路。學習中應重點掌握電路定性的基本概念、善于利用波形圖分析電路的特性，理解必要的數學推導。 電路中功率器件的開關過渡過程是學習的難點，應逐步適應其分析方法。11第一章第一章 電力電子變換和控制技術導論電力電子變換和控制技術導論1.1 1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義1.31.3開關型電力電子變換基本原理及控制方法開關型電力電子變換基本原理及控制方法 1.41.4開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性1.5 1.5 開關型電力電子變換器的應

7、用領域開關型電力電子變換器的應用領域第1章 電力電子變換和控制技術導論 121.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義第1章 電力電子變換和控制技術導論 公用電網的電能經過適當的變換和處理以后再供負載公用電網的電能經過適當的變換和處理以后再供負載使用，可以獲得更好的技術特性和更大的經濟意義：使用，可以獲得更好的技術特性和更大的經濟意義： 節能節能風機、水泵的調速、照明（取代普通鎮流器） 省材省材設備體積、重量減小使銅、鐵的使用量減少 環保環保節能、省材是環保的具體表現 提高產品質量和勞動生產率提高產品質量和勞動生產率提高供電可靠性、高速高精度電氣傳動 提高

8、電力系統自身的運行質量和穩定性提高電力系統自身的運行質量和穩定性發電機勵磁、柔性輸電、諧波治理、無功補償131.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義第1章 電力電子變換和控制技術導論 l經過變換處理后再供用戶使用的電能，占全國發電總量的百分比的高低，已成為衡量一個國家技術進步的主要標志之一；l預計到20202030年，美國發電站生產的全部電能都將經變換和處理后再供負載使用；l2003年美國制定了“國家電力傳輸路線圖”計劃，電力電子被列為5大關鍵技術之一；l電力電子技術還是近年來受到各國關注的智能電網的關鍵技術之一；l風能、太陽能等新能源的利用幾乎都離不開

9、電力電子技術的支撐；141.1 1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義1.31.3開關型電力電子變換基本原理及控制方法開關型電力電子變換基本原理及控制方法 1.41.4開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性1.5 1.5 開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子變換器的應用領域第1章 電力電子變換和控制技術導論 第一章第一章 電力電子變換和控制技術導論電力電子變換和控制技術導論15開關型電力電子變換基本原理及控制方法開關型電力電子變換基本原理及控制方法第1章 電力電子變換和控制技術導

10、論 l電源可分為兩類： 直流電（D.C），頻率f=0 交流電（A.C），頻率f0l電力變換按電壓/電流的大小、波形及頻率變換劃分為四類基本變換及相應的四種電力變換電路或電力變換器。l這四類基本變換可以組合成許多復合型電力變換器16傳統電力技術如何將交流電變為直流電？傳統電力技術如何將交流電變為直流電？第1章 電力電子變換和控制技術導論 17傳統電力技術如何實現交流電頻率的變換？傳統電力技術如何實現交流電頻率的變換？第1章 電力電子變換和控制技術導論 18如何用電力電子開關器件實現電能的變換？如何用電力電子開關器件實現電能的變換？ 第1章 電力電子變換和控制技術導論 圖中的開關設為理想開關圖中的

11、開關設為理想開關 vo= Svi S為開關函數為開關函數 191. AC/DC1. AC/DC基本基本整流整流電路電路工作方式：相控、斬波分析方法：傅立葉分解 、積分考慮問題：開關時刻、 濾波第1章 電力電子變換和控制技術導論 202. DC/AC2. DC/AC基本基本逆變逆變電路電路工作方式：方波、PWM波分析方法：傅立葉分解 、積分考慮問題：開關時刻、 濾波第1章 電力電子變換和控制技術導論 213.AC/AC3.AC/AC直接直接變頻變頻、變壓變壓電路電路工作方式：周期控制分析方法：等效考慮問題：開關時刻第1章 電力電子變換和控制技術導論 224.4. DC/DCDC/DC直接變換電路

12、（直接變換電路（降壓降壓）工作方式：占空比控制（PWM、PFM、混合調制）分析方法：傅里葉分解第1章 電力電子變換和控制技術導論 直流直流降壓變換電路ABCDLVS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降壓電路)(tvo-TsonTdoVtoffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)輸出波形ovV直流直流降壓變換電路ABCDLS1S2S3S4CovdoVoi+-(a)直流降壓電路)(tvo-TsonTdoVtoffT0Ts2ST2STonTonToffT23ST(b)輸出波形ovVSS 直流直流升壓變換電路ABCDRS1S2S3S4CovLlioi+-(a) 直流升壓電路

13、lidIovTs2TsonT0S2ONS4ON(b) 電壓 ，電流 ， 波形S2ON0S4ONoffToffTonTovlidIPSVSV235.5. DC/DCDC/DC直接變換電路（直接變換電路（升壓升壓）第1章 電力電子變換和控制技術導論 241.1 1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義1.31.3開關型電力電子變換基本原理及控制方法開關型電力電子變換基本原理及控制方法 1.41.4開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性1.5 1.5 開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子

14、變換器的應用領域第1章 電力電子變換和控制技術導論 第一章第一章 電力電子變換和控制技術導論電力電子變換和控制技術導論25第1章 電力電子變換和控制技術導論 l開關型電力電子變換器的核心部分是一組開關型電力電子變換器的核心部分是一組開關電路開關電路l在開關型電力電子變換電路的輸入、輸出端附加在開關型電力電子變換電路的輸入、輸出端附加濾波電路濾波電路（通常為（通常為LCLC濾波器），以改善輸出電壓和輸入電流的波形濾波器），以改善輸出電壓和輸入電流的波形l高頻高頻PWMPWM控制是改善開關電路輸入電流波形、輸出電壓最有控制是改善開關電路輸入電流波形、輸出電壓最有效的技術措施（頻率的提高使濾波電路尺

15、寸大幅度降低）效的技術措施（頻率的提高使濾波電路尺寸大幅度降低）l為使電力電子開關電路的輸出電壓接近理想的直流或正弦為使電力電子開關電路的輸出電壓接近理想的直流或正弦交流，一般應交流，一般應對稱地安排對稱地安排一個周期中不同的開關狀態及持一個周期中不同的開關狀態及持續時間續時間l常用分析方法常用分析方法狀態空間平均法，積分，傅立葉變換狀態空間平均法，積分，傅立葉變換開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性261.1 1.1 電力電子學科的形成電力電子學科的形成1.2 1.2 電力電子變換和控制的技術經濟意義電力電子變換和控制的技術經濟意義1.31.3開關型電力電子變換基本原

16、理及控制方法開關型電力電子變換基本原理及控制方法 1.41.4開關型電力電子變換器的基本特性開關型電力電子變換器的基本特性1.5 1.5 開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子變換器的應用領域第1章 電力電子變換和控制技術導論 第一章第一章 電力電子變換和控制技術導論電力電子變換和控制技術導論27開關型電力電子變換器的應用領域開關型電力電子變換器的應用領域第1章 電力電子變換和控制技術導論 l開關型電力電子變換電源開關型電力電子變換電源l開關型電力電子補償控制器開關型電力電子補償控制器28開關型電力電子變換電源開關型電力電子變換電源第1章 電力電子變換和控制技術導論 l電力系統中的直流遠

17、距離輸電電力系統中的直流遠距離輸電l直流電動機變速傳動控制直流電動機變速傳動控制l交流電動機變速傳動控制交流電動機變速傳動控制l變速恒頻發電系統變速恒頻發電系統l電解、電鍍等應用領域中的低壓大電流可電解、電鍍等應用領域中的低壓大電流可控直流電源。控直流電源。l各類高性能的不間斷供電電源各類高性能的不間斷供電電源(UPS(UPS，Uninterruptible Power Supply)Uninterruptible Power Supply)l各類恒頻、恒壓通用逆變電源各類恒頻、恒壓通用逆變電源29開關型電力電子變換電源開關型電力電子變換電源第1章 電力電子變換和控制技術導論 l照明燈具用的高

18、頻電力電子變換器照明燈具用的高頻電力電子變換器( (電子鎮流器電子鎮流器) )l各類低壓直流開關電源各類低壓直流開關電源l蓄電池充電電源蓄電池充電電源l中頻或高頻感應加熱電源中頻或高頻感應加熱電源l大功率脈沖電源、激光電源大功率脈沖電源、激光電源l燃料電池或太陽能光燃料電池或太陽能光- -電轉換系統輸出的恒壓直電轉換系統輸出的恒壓直流或恒頻、恒壓交流電源流或恒頻、恒壓交流電源l超導磁體儲能、磁懸浮運載工具等高壓特大容量超導磁體儲能、磁懸浮運載工具等高壓特大容量的電力電子變換電源的電力電子變換電源電機傳動31開關型電力電子補償控制器開關型電力電子補償控制器第1章 電力電子變換和控制技術導論 p電壓、電流（有功功率、無功功率）補償控制器p阻抗補償控制器32第1章 電力電子變換和控制技術導論 對圖（a）示開關電路中的四個開關器件進行實時、適式的高頻通、斷控制，可以由變換器的輸出端得到所需要的、任意波形的周期性或非周期電壓或電流。將此變換器的輸出電壓串接在電力線路上即可補償和調控電網線路電壓，改變線路電流；將此變換器輸出的電流并聯接入電網，即可補償負載電流或控制電網電流。從而調控系統有功和（或）無功功率。 串聯、并聯補償器都能顯著地改善電力系統的運行特性和運行經濟性。電壓、電流（有功功率、無功功率）補償控制器電壓、電流（有功功率、無功功率）補償控制器33第1章 電力電子變換和控制技術導