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1、 电力电子学电力电子学电力电子变换和限制技术电力电子变换和限制技术11第一章 电力电子变换和限制技术导论l电力电子学科的形成l电力电子变换和限制的技术经济意义l开关型电力电子变换的基本原理及限制方法l开关型电力电子变换器基本特性l开关型电力电子变换器的应用领域21.1 电力电子学科的形成l电力技术l 利用电力设备（发电机、变压器、输电线、电动机、开关电器、电感、电容等）组成电力系统，应用电磁学基本原理处理发电、输电、配电、用电的技术统称电力技术。l 其应用所依靠的器件是电机、变压器、电抗器、电容器、开关等l探讨对象是电能的参数（电压、电流的频率、波形、幅值、相位等）31.1 电力电子学科的形成
2、（续一）电力电子学科的形成（续一）l电子技术：l 利用电子元器件（电子管、半导体器件、集成电路、微处理器、电感、电容等）组成电子信息系统，应用电磁学基本原理处理信号的产生、变换、存储、发送、接收的技术称为电子技术。l其应用所依靠的器件是电子器件（二极管、三极管、MOS管、集成电路、微处理器等）l探讨对象是载有信息的弱电信号41.1 电力电子学科的形成（续二）电力电子学科的形成（续二）l电力电子技术l 将现代电子技术和限制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件、半导体集成电路和微处理器实现电力变换和限制的电气工程新学科，是一门综合了电子技术、限制技术和电力技术的新兴交叉学科，称为电力
3、电子技术或电力电子学(Power Electronics)。5电力电子学科的形成（续三）电力电子学科的形成（续三）l20世纪40年头，随着电气技术的发展人们起先探究用电机、变压器以外的器件进行电能变换的限制；l1948年三极管的出现干脆引发了电子技术革命；l1957年在三极管的基础上人们独创了晶闸管，标记着电力电子技术的诞生；l20世纪60年头后以晶闸管为基础的电力电子电路起先得到广泛应用；l20世纪70年头后期起先，以不断出现的各种全控器件为基础的电力电子电路起先逐步得到广泛应用；l目前，电力电子器件仍旧在发展，推动了电力电子技术应用范围的不断扩大（功率范围扩大、成本降低）；并且，半导体器件
4、的发展是电力电子发展的关键。l微电子技术的发展使电力电子装置的限制性能不断提高；l众多探讨者的努力使电力电子电路的拓扑结构不断翻新。61.2 电力电子变换和限制的技术经济意义 公用电网的恒频、恒压电能经过适当的变换公用电网的恒频、恒压电能经过适当的变换和处理以后再供负载运用，可以获得更好的技术和处理以后再供负载运用，可以获得更好的技术特性和更大的经济效益，这可从以下几个方面来特性和更大的经济效益，这可从以下几个方面来说明：说明：节能节能风机、水泵的调速、照明（取代一般镇流器）风机、水泵的调速、照明（取代一般镇流器）省材省材设备体积、重量减小使铜、铁的运用量削减设备体积、重量减小使铜、铁的运用量
5、削减环保环保节能、省材是环保的具体表现节能、省材是环保的具体表现提高产品质量和劳动生产率（供电稳定、快速）提高产品质量和劳动生产率（供电稳定、快速）自动化设备自动化设备提高电力系统自身的运行质量和稳定性提高电力系统自身的运行质量和稳定性发电机励磁、柔性输电、高压直流输电、谐波治理、发电机励磁、柔性输电、高压直流输电、谐波治理、无功补偿无功补偿71.3 开关型电力电子变换的基本原理及限制方法 电力变换可划分为四类基本变换，相应的有四种电力变换电路或电力变换器。利用以上四种基本变换电路还可以组合成很多复合型电力电子电路。8传统电力技术如何将沟通电变为直流电？利用变流机组实现AC/DC变换9传统电力
6、技术如何将一种频率的沟通电变为另一种频率的沟通电？10如何用电力电子开关器件实现电能的变换？分析中我们常常认为图中的开关均为志向开关。此时有:v0=svi （S称为开关函数）图 1.4111.AC/DC基本整流电路工作方式：相控、斩波分析方法：傅立叶分解、积分考虑问题：开关时刻、滤波图 1.5122.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133.AC/AC干脆变频、变压电路工作方式：周期限制思索方法：等效法 考虑问题：开关时刻144.DC/DC干脆变换电路（降压）工作方式：占空比限制（PWM、PFM、混合调制）分析方法：傅立叶分解154.D
7、C/DC干脆变换电路（升压）161.4 开关型电力电子变换器基本特性l开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路l在开关型电力电子变换电路的输出、输入端附加滤波电路（通常为LC滤波器），可以改善输出电压和输入电流的波形l高频PWM限制是改善开关电路输出电压、输入电流波形最有效的技术措施（频率的提高使滤波电路尺寸大幅度降低）l在电力电子变换器工作中，开关器件不断地进行周期性通、断状态的依序转换l为使电力电子开关电路的输出电压接近志向的直流或正弦沟通，一般应对称地支配一个周期中不同的开关状态及持续时间171.5 开关型电力电子变换器的应用领域l开关型电力电子变换电源开关型电力电子变换电源l开关型
8、电力电子补偿限制器开关型电力电子补偿限制器181.5.1 开关型电力电子变换电源l电力系统中的直流远距离输电l直流电动机变速传动限制l沟通电动机变速传动限制l变速恒频发电系统l电解、电镀等应用领域中的低压大电流可控直流电源。l各类高性能的不间断供电电源(UPS，Uninterruptible Power Supply)l各类恒频、恒压通用逆变电源191.5.1 开关型电力电子变换电源（续）l照明灯具用的高频电力电子变换器(电子镇流器)。l各类低压直流开关电源。l蓄电池充电电源。l中频或高频感应加热电源。l大功率脉冲电源、激光电源。l燃料电池或太阳能光-电转换系统输出的恒压直流或恒频、恒压沟通电
9、源。l抽水储能发电站、超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量的电力电子变换电源。201.5.2 开关型电力电子补偿限制器l电压、电流（有功功率、无功功率）电压、电流（有功功率、无功功率）补偿限制器补偿限制器l阻抗补偿限制器。阻抗补偿限制器。21(1)(1)电压、电流（有功功率、无功功率）补偿限制器电压、电流（有功功率、无功功率）补偿限制器 对图1.6(a)所示开关电路中的四个开关器件进行实时、适式的高频通、断限制，再将开关电路的输出电压经高频滤波后就可以由变换器的输出端得到所须要的、随意波形的周期性或非周期电压，因此开关型电力电子变换器可以成为一个随意波形的电压源;假如电压经大电感接到外电
10、路，就可以输出随意波形的周期性或非周期电流，此时又可以看成一个随意波形的电流源。22(2)阻抗阻抗补偿补偿限制器限制器 将将图图1.6(b)所所示示的的电电感感、电电容容或或电电阻阻经经一一个个可可控控的的开开关关器器件件S并并联联接接入入或或串串联联接接入入沟沟通通电电网网就就构构成成了了一一个个阻阻抗抗补补偿偿限限制制器器。对对开开关关器器件件进进行行实实时时、适适式式的的通通、断断限限制制，就就可可以以变变更更电电网网的的等等效效负负载载阻阻抗抗或或等等效效线线路路阻抗，从而补偿限制电网、负载的电压、电流、功率。阻抗，从而补偿限制电网、负载的电压、电流、功率。231.5 课程学习要求l驾驭典型电力半导体器件的运行特性和应用技术l驾驭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、限制要求l驾驭常用的电力电子变换电路的分析方法l了解电力电子变换器的应用领域l电力电子学是一门实践性很强的专业基础课程，应主动对待试验，培育实际工作实力。24