电力电子技术课件完整

电力电子技术电力电子技术是一门涉及电力变换、电能传输和智能控制的现代工程学科它在现代生活中扮演着越来越重要的角色广泛应用于工业、能源、交通等各个领域,课程概述课程目标通过学习电力电子技术的基础知识和原理掌握电力电子系统的设计与应用,课程内容涵盖电力电子器件、变换电路、电机驱动等关键技术领域重点培养分析和解决实际问题的能力教学方式理论讲授、实验实践、案例分析等多种教学手段相结合提高学习效果,电力电子技术发展历程世纪初20电力电子技术的雏形出现采用机械式开关控制电力设备,年代1920第一代真空管整流器应用于电力设备控制为电力电子发展奠定基础,年代1940晶体管问世标志着电力电子进入固态电子器件时代,世纪年代2050-60电力电子技术飞速发展功率半导体器件成为主流,世纪年代2070微处理器和控制系统的应用推动电力电子技术走向智能化电力电子器件的基本特性器件参数电路符号特性曲线电力电子器件的主要参数包括额定电压、额常见的电力电子器件有二极管、晶体管、每种电力电子器件都有自身的电压电流特性定电流、开关频率、温升等这些参数决定、等每种器件都有特定的曲线用于分析和选择合适的器件了解这,IGBT MOSFET,,了器件的应用范围和性能电路符号用于电路图中些特性对电路设计很关键半导体功率器件概述半导体功率器件是电力电子技术的核心组件它们能够承受高电压和大电流并,具有快速开关特性广泛应用于变流电路中主要包括功率二极管、晶闸管、绝,缘栅双极型晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管等这IGBT MOSFET些功率器件的选择和特性对电力电子系统的性能有重要影响二极管及其特性二极管结构正向导通特性反向击穿特性二极管分类二极管是由型半导体和型正向偏压时二极管会导通电反向偏压时二极管会出现反根据材料、结构和工作特性P N,,,半导体组成的结构通过电流并产生正向压降其数值取向击穿产生大电流这种特常见的二极管有普通二极管、PN,,,极引出实现电流单向通过决于材料和结构性可以用于保护电路快恢复二极管、肖特基二极管等晶体管及其特性放大功能开关功能晶体管可以放大微弱的输入信号晶体管可以快速切换开关状态实,,输出功率远大于输入功率这使现数字电路和模拟电路之间的转其成为电子电路中的核心器件换可编程性稳定性通过控制晶体管的偏置条件可以现代晶体管具有良好的温度特性,调节其特性满足不同电路设计的和可靠性可靠性远高于真空管,,需求功率半导体器件分类按特性分类按电压等级分类12功率半导体器件可分为二极管功率半导体器件还可以按工作、晶体管、晶闸管等几种主要电压等级划分为低压、中压和类型每种器件都有其独特的高压器件不同等级的器件适电学特性和应用场景用于不同的电力环境按结构分类按应用分类34功率半导体器件还可以按照内从应用角度看功率半导体器件,部结构划分为、可分为开关型和调压型器件MOSFET和等不同类型这前者主要用于开关电源后者用IGBT GTO,些结构差异决定了器件的性能于电机驱动等特点绝缘栅双极型晶体管IGBT高效率高功率结合了双极型晶体管的高导可以处理大功率电流广泛IGBT IGBT,通特性和场效应管的高输入阻抗应用于电机驱动、电力变换和电,具有高效率和低损耗的优点源控制等领域可靠性高控制简单采用绝缘栅结构具有高耐的栅极控制特性使其驱动电IGBT,IGBT压和高抗过载能力能够在恶劣环路简单易于集成控制,,境下可靠工作金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET独特的工作机理快速响应及高效率12利用金属、氧化物和具有开关速度快、导MOSFET MOSFET半导体三层结构通过施加电压通低压降和导通时低损耗等优,来控制电流的流通实现开关和点适用于高频及高功率的电力,,放大功能电子应用广泛应用领域重要发展趋势34被广泛应用于开关电正朝着高压、大功率MOSFET MOSFET源、电机驱动、逆变器、晶闸、高频和低成本等方向不断发管触发电路等诸多电力电子领展以满足更加严苛的应用需求,域功率二极管和晶闸管功率二极管晶闸管特性优势功率二极管是一种用于电力控制和转换的半晶闸管是一种能控制较大电流的半导体开关体积小、重量轻•导体器件可以承受较高的电压和电流广泛器件可用于控制电压和电流在交流电网络,,,,效率高、可靠性好•应用于整流、开关等电路中、电力变换等中广泛应用可编程控制、灵活性强•换流电路基本原理整流1将交流电转换为直流电逆变2将直流电转换为交流电变流3将一种形式的交流电转换为另一种形式换流电路是电力电子技术的核心之一通过整流、逆变和变流等基本功能可以实现到、到以及到的电能转换为各种,AC DCDC AC ACAC,电力应用提供所需的电能形式这些基本功能构成了电力电子技术广泛应用的基础单相半控整流电路整流1将交流电转换为单向脉动的直流电半控制2只有一个半周期是可控的单相3只有一相的交流电输入单相半控整流电路是电力电子技术中一种基础且重要的整流电路拓扑它利用单个半控制器件如晶闸管在一个半周期内控制整流过程从,而将交流电转换为单向脉动的直流电这种电路结构简单效率较高广泛应用于工业及家用电器领域,,三相半控整流电路输入滤波三相交流电电压用作输入电源，经过半控整流器件处理后可得到脉动直流在整流后的直流侧增加滤波电路可以降低脉动电压获得更加平滑的直流,,电电压123整流三相半控整流电路利用三个半控整流器件如晶闸管依次导通实现三相交,流电转换成直流电单相全控整流电路控制单元1负责对功率开关器件实施精确同步触发控制功率开关器件2采用晶闸管作为主要开关元件SCR滤波电路3去除整流后的脉动电流，得到平滑的直流输出单相全控整流电路是由控制单元、功率开关器件和滤波电路三部分组成的整流电路控制单元负责对功率开关器件实施精确同步触发控制,采用晶闸管作为主要开关元件滤波电路则用于去除整流后的脉动电流得到平滑的直流输出该电路可实现单相交流电转换为直流SCR,,电的功能三相全控整流电路全控整流三相全控整流电路使用六枚全控型功率半导体器件通常为晶闸管来实现完全可控的整流过程波形改善与半控整流相比全控整流电路可以产生更接近正弦波的输出波,形电流与电压之间的相位角也更接近于零,功率因数提升全控整流电路可以大幅提高电网侧的功率因数减少无功功率提,,高电力系统的综合利用率直流直流转换电路-降压转换器1将输入的较高直流电压转换为较低的直流电压输出广泛应用于,电源系统、电机驱动等领域升压转换器2将输入的较低直流电压转换为较高的直流电压输出常见于太阳,能电池、电动自行车等系统升降压转换器3可以双向转换电压既可以从高压转换到低压也可以从低压转,,换到高压极大地提高了电路的适用范围,隔离型变换电路绝缘隔离1使用变压器实现输入输出之间的绝缘隔离电压转换2根据应用需求调整输出电压大小噪声隔离3有效消除输入侧的干扰和噪声隔离型变换电路利用变压器实现输入输出的绝缘隔离和电压转换这种电路结构可以有效隔离输入端的噪声干扰，提高电路的抗干扰能力同时也可根据实际需求调整输出电压值，广泛应用于开关电源、电机驱动等场合开关模式电源基本原理高效节能小型化设计灵活性强噪音小开关模式电源利用开关电路实由于采用了开关模式可以使开关模式电源通过调节开关频相比传统线性电源开关模式,,现高效能量转换与传统线性用更小型的变压器和滤波电容率和占空比可以实现输出电压电源能够有效抑制电源线路中,电源相比可以减少大量的功从而实现了电源的小型化设的灵活调节适应性更强的噪音和纹波输出更加平稳,,,,率损耗提高整体系统的效率计,输入滤波电路电容滤波电感滤波滤波LC使用电容器滤除交流纹波成分提高直流电利用电感器的电流连续性抑制电流脉动和结合电容和电感的特性实现更高效的滤波,,,压质量纹波性能开关电源的反馈控制反馈电路稳定输出控制芯片开关电源的反馈控制通过感测输出电压或电反馈控制能够实时检测输出状态并进行调整开关电源通常采用专用的反馈控制来实现IC流并将其与预设参考值进行比较从而调整确保输出电压和电流在负载变化、输入电闭环控制这些集成了比较器、振荡器、,,,,IC开关频率或占空比来稳定输出这确保了输压波动等情况下保持稳定这是开关电源可逻辑电路等模块实现输出稳压和过载保护,出电压和电流保持在所需的水平靠性和性能的关键所在等功能输出滤波电路滤波电容负载的影响输出滤波电路通常采用电解电容负载的变化会对输出产生影响,器来稳定输出电压波动起到滤需要合理选择滤波电容的容量,波作用频率响应电磁兼容合理的滤波电路设计可以保证系输出滤波电路还需考虑电磁干扰统的频率响应特性提高系统性的抑制以确保系统的电磁兼容,,能性电感式电路的基本原理电磁感应储能与释放当电流在电感器线圈中流动时会电感器能够在电流变化时储存和,产生磁场从而在另一个线圈中感释放能量这种特性广泛应用于电,,应电压这种电磁感应是电感式力电子电路中电路的基础电流和电压关系频率特性在电感式电路中电流变化的速度电感器的阻抗随频率的变化而变,决定了电压的大小这种关系可用化这使其在滤波、谐振等电路中,,电感方程来描述发挥重要作用变压器原理及特性双绕组结构变压器主要由初级绕组和次级绕组组成通过电磁感应原理实现能量转换,磁通耦合初级绕组产生的交变磁通通过铁芯耦合到次级绕组实现电压变换,高效率传输现代变压器可达到以上的能量传输效率是电力电子技术的关键器件95%,电机驱动电路基本组成电机驱动电路基本组成功能应用领域电机驱动电路是电力电子技术电机驱动电路由电源部分、功它们分别负责供电、放大控制电机驱动电路应用广泛包括,在电机控制中的应用主要负率放大部分、控制部分和保护信号、执行电机控制算法以及工业自动化、家用电器、汽车,责对电机进行励磁和调速控制部分等几个基本部分组成保护电路免受过载、过电压等电子等领域损坏直流电机驱动电路基本驱动电路速度控制电路转矩控制电路直流电机驱动电路包括电源、整流器、功率利用反馈控制技术可以实现对直流电机转速除了转速控制电机驱动电路还可以通过检,放大器和反馈控制等基本部件通过控制功的精确调节通过检测电机转速并与设定值测电机电流来实现转矩控制这对于需要精率放大器的输出可以实现对电机转速和转比较可以调整功率放大器的输出来达到所确控制力矩的应用非常重要,,矩的精确控制需的转速交流电机驱动电路变频控制软启动12通过调整电压和频率来控制交缓慢启动电机可以减少电流冲流电机的转速和扭矩实现高效击避免损坏电机和供电系统,,率的电机驱动能量反馈智能控制34在制动过程中电机产生的动能先进的控制算法可以提高电机,可以反馈回电网提高整体能源驱动系统的动态响应和稳定性,利用率电力电子技术的应用案例电力电子技术广泛应用于工业、交通、能源、家电等领域为现代,社会的可持续发展提供了重要支撑以太阳能光伏发电系统为例,电力电子技术通过逆变器将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电实现高效的电能转换和输送除此之外电力电子技术也广泛,,应用于电机驱动、电力网络调控、电动车充电等场景能源系统中的电力电子技术可再生能源智能电网节能应用电网稳定性电力电子技术在太阳能、风能电力电子设备可提高电网的灵电力电子技术广泛应用于电机功率电子设备可灵活控制无功等可再生能源系统中扮演着关活性和能源管理效率实现智驱动、电力变换和电力监控等功率提高电网运行的稳定性,,键角色实现发电、变流、储能化调度、双向电力流以及有领域提高能源利用效率推动和安全性确保电力供给的高,,,,能和电网并网等功能效利用分布式电源节能减排质量总结与展望电力电子技术发展前景广创新成为关键阔未来电力电子技术发展将以信息随着可再生能源、新能源汽车、化、智能化和集成化为特点需要,智能电网等领域的快速发展电力在材料、器件、拓扑结构、控制,电子技术在节能减排、提高能源算法等方面不断创新利用效率等方面的作用将越来越重要学习和实践并重电力电子技术的实际应用需要理论知识和实践经验的紧密结合努力培养一,支理论扎实、实践经验丰富的专业人才队伍。