《变换与控制技术》课件

变换与控制技术欢迎来到《变换与控制技术》课程本课程旨在帮助学生深入理解和掌握电力电子变换与控制的核心技术，培养解决实际工程问题的能力通过系统学习，学生将能够设计和应用各种电力电子变换器和控制系统，为未来的职业发展打下坚实的基础课程目标和学习内容课程目标学习内容能力培养本课程旨在使学生掌握电课程内容包括电力电子器通过本课程的学习，学生力电子变换与控制的基本件、AC/DC变换、将具备电力电子变换器和原理、设计方法和应用技DC/DC变换、DC/AC变控制系统的设计、分析和术通过学习，学生应能换、AC/AC变换、电机应用能力，能够解决实际够分析和设计各种电力电控制技术、控制系统建模工程问题，并为未来的职子变换器，并掌握电机控、控制系统设计、数字控业发展打下坚实的基础制、控制系统建模与设计制技术以及新能源发电与等相关技术控制等第一章电力电子技术基础电力电子器件电路拓扑控制策略介绍电力电子器件的类型、特性和应用包讲解电力电子电路的基本拓扑结构，如整流介绍电力电子电路的常用控制策略，如括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等电路、DC/DC变换电路、逆变电路等分PWM控制、电压控制、电流控制等重点重点讲解器件的工作原理、参数特性和驱动析不同拓扑结构的特点和适用场合讲解控制策略的原理、实现方法和性能指标方法电力电子器件概述器件类型1电力二极管、晶闸管（SCR）、电力MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、碳化硅（SiC）器件、氮化镓（GaN）器件主要参数2额定电压、额定电流、开关速度、导通电阻、热阻、最大结温这些参数决定了器件的应用范围和性能应用领域3电源、电机驱动、新能源发电、电力传输与分配、电动汽车不同应用领域对器件的性能要求不同发展趋势4高频化、高效化、小型化、集成化、智能化新材料和新工艺的不断涌现推动电力电子器件的快速发展二极管和晶闸管二极管晶闸管单向导电性是二极管的基本特性正向导通时，电压降较小；反向截晶闸管是一种可控的开关器件，通过控制栅极电流来控制导通导通止时，电流极小主要参数包括额定电压、额定电流、反向恢复时间后，栅极失去控制作用，需要外部电路关断主要参数包括额定电压、额定电流、触发电流和MOSFET IGBTMOSFETMOSFET是一种电压控制型器件，具有开关速度快、驱动电路简单等优点主要参数包括额定电压、额定电流、导通电阻、栅极电荷IGBTIGBT结合了MOSFET和BJT的优点，具有驱动功率小、耐压高等特点主要参数包括额定电压、额定电流、开关速度、饱和压降电力电子器件的驱动电路驱动电路的作用1驱动电路用于将控制信号转换为适合电力电子器件要求的电压和电流信号，以实现器件的可靠开关包括隔离、放大、保护等功能驱动电路的设计2驱动电路的设计需要考虑器件的类型、参数、工作频率等因素常用的驱动电路包括电阻驱动、电容驱动、集成驱动等驱动电路的保护3驱动电路需要具备过流保护、过压保护、短路保护等功能，以防止器件损坏常用的保护方法包括限流电阻、TVS管、熔断器等第二章变换技术AC/DC单相整流将单相交流电转换为直流电常用的电路包括半波整流、全波整流、桥式整流重点讲解电路的工作原理和参数计算三相整流将三相交流电转换为直流电常用的电路包括三相半波整流、三相桥式整流重点讲解电路的工作原理和参数计算功率因数校正提高交流侧的功率因数，减少谐波污染常用的技术包括无源功率因数校正、有源功率因数校正重点讲解技术的原理和实现方法整流电路的基本原理二极管截止2交流电压负半周，二极管截止，无电流流过负载二极管导通1交流电压正半周，二极管导通，电流流过负载直流输出经过滤波，得到平滑的直流电压3单相整流电路桥式整流效率高，应用广泛1全波整流2输出电压较高半波整流3结构简单，成本低三相整流电路三相桥式1三相半波2可控整流3功率因数校正技术功率因数校正（PFC）技术用于提高交流侧的功率因数，减少谐波污染无源PFC结构简单，成本低，但功率因数提高有限有源PFC功率因数接近1，但电路复杂，成本高第三章变换技术DC/DC变换器变换器变换器Buck BoostBuck-Boost降压变换器，输出电压低于输入电压升压变换器，输出电压高于输入电压升降压变换器，输出电压可高于或低于输入电压变换器的基本原理DC/DC开关控制储能元件反馈控制通过控制开关器件的导通电感和电容是DC/DC变通过反馈控制，实现输出和截止时间，改变电路的换器中的储能元件，用于电压的稳定，抑制输入电拓扑结构，实现电压和电平滑电压和电流，提高变压和负载的变化对输出的流的变换换器的效率影响变换器Buck工作原理主要特点当开关管导通时，输入电压通过电感向负载供电，电感储能；当开关输出电压低于输入电压，效率高，结构简单适用于降压场合，如电管截止时，电感通过二极管向负载供电，电感释放能量通过调节开源适配器、LED驱动等关管的占空比，可以调节输出电压变换器Boost工作原理1当开关管导通时，电感储能；当开关管截止时，电感释放能量，与输入电压叠加后向负载供电通过调节开关管的占空比，可以调节输出电压主要特点2输出电压高于输入电压，效率高，结构简单适用于升压场合，如太阳能发电、电池供电等变换器Buck-Boost工作原理Buck-Boost变换器可以实现升压和降压功能当开关管导通时，电感储能；当开关管截止时，电感释放能量，通过二极管向负载供电输出电压的极性与输入电压相反主要特点输出电压可高于或低于输入电压，但效率较低，结构相对复杂适用于电池供电、稳压电源等场合变换器Ćuk工作原理1Ćuk变换器是一种基于电容能量传输的DC/DC变换器通过电容的充放电实现电压的变换输出电压的极性与输入电压相反主要特点2输出电压可高于或低于输入电压，输入电流和输出电流连续，EMI性能好适用于对EMI要求较高的场合隔离型变换器DC/DC变压器隔离采用变压器实现输入输出之间的隔离，提高安全性常用的电路包括反激变换器、正激变换器、推挽变换器、半桥变换器、全桥变换器软开关技术采用软开关技术，降低开关损耗，提高变换器的效率常用的技术包括零电压开关（ZVS）、零电流开关（ZCS）第四章变换技术DC/AC三相逆变器2将直流电转换为三相交流电单相逆变器1将直流电转换为单相交流电控制PWM实现对输出电压的精确控制3逆变器的基本原理直流输入提供能量来源1开关控制2产生交流波形交流输出3满足负载需求单相逆变器半桥1全桥2推挽3三相逆变器120°导通180°导通三相逆变器将直流电转换为三相交流电，广泛应用于电机驱动、UPS等领域常用的控制方法包括120°导通模式和180°导通模式180°导通模式输出电压较高，但谐波含量也较高控制技术PWMSPWM SVPWM正弦脉宽调制，输出电压接近正弦波空间矢量脉宽调制，效率更高，谐波更小多电平逆变器电压等级可靠性输出电压具有多个电平，谐波含量低，结构复杂，控制难度大，但可靠性高适用于高压大功率场合第五章变换技术AC/AC交流调压器矩阵变换器循环变换器改变交流电压的有效值，用于调光、调速等直接将交流电转换为交流电，效率高，体积将交流电转换为频率可调的交流电场合小交流调压器工作原理主要特点12通过控制晶闸管的导通角，改变交流电压的有效值结构简单，成本低，但谐波含量高矩阵变换器工作原理通过控制开关矩阵的导通和截止，直接将交流电转换为交流电，无需中间直流环节主要特点效率高，体积小，但控制复杂，成本高循环变换器工作原理1将交流电转换为频率可调的交流电，通过控制开关器件的导通和截止时间，改变输出电压的频率主要特点2输出电压的频率可调，但结构复杂，成本高第六章电机控制技术直流电机控制控制直流电机的转速和转矩交流电机控制控制交流电机的转速和转矩矢量控制实现对交流电机的精确控制电机控制基础转矩控制2控制电机的转矩转速控制1控制电机的转速位置控制控制电机的位置3直流电机控制调压调速1励磁控制2斩波调速3交流电机控制变频调速1矢量控制2直接转矩控制3矢量控制原理电流控制转速控制矢量控制（VC）是一种高性能的交流电机控制方法，通过控制电机的磁链和转矩分量，实现对交流电机的精确控制矢量控制的核心思想是将交流电机等效为直流电机，分别控制磁链和转矩分量，从而实现对电机转速和转矩的解耦控制控制技术FOC磁场定向无传感器通过控制电流，实现对磁场的精确控制无需传感器，降低成本第七章控制系统建模状态空间传递函数描述系统的内部状态描述系统的输入输出关系状态空间模型定义特点用状态变量描述系统的动态特性，包括状态方程和输出方程可以描述多输入多输出系统，适用于线性时变系统传递函数模型定义特点12描述系统的输入输出关系，是系统在零初始条件下的输出拉普只适用于线性时不变系统，可以方便地进行频域分析拉斯变换与输入拉普拉斯变换之比开关模型和平均模型开关模型平均模型精确描述开关器件的开关过程，但计算复杂忽略开关过程，简化计算，但精度较低小信号模型定义1在稳态工作点附近，对系统进行线性化处理，得到小信号模型应用2用于分析系统的稳定性和动态性能第八章控制系统设计控制PID简单实用，应用广泛状态反馈可以实现对系统状态的精确控制鲁棒控制对系统参数变化不敏感控制器设计PID稳定性分析2分析系统的稳定性参数整定1确定PID控制器的参数性能优化优化系统的性能3频域分析和设计图Nyquist1图Bode2幅相裕度3状态反馈控制极点配置1可控性2状态观测器3观测器设计全维观测器降维观测器观测器用于估计系统的状态变量，分为全维观测器和降维观测器全维观测器估计所有状态变量，降维观测器只估计部分状态变量鲁棒控制设计控制综合H∞μ对系统参数变化不敏感考虑系统参数的不确定性第九章数字控制技术离散化计算机实现将连续系统转换为离散系统在计算机上实现控制算法数字控制系统基础采样量化将连续信号转换为离散信号将连续幅值转换为离散幅值和转换A/D D/A转换1A/D将模拟信号转换为数字信号转换2D/A将数字信号转换为模拟信号数字控制器设计PID位置式直接输出控制量增量式输出控制量的增量和在控制中的应用DSP FPGA1DSP数字信号处理器，擅长数值计算2FPGA现场可编程门阵列，擅长逻辑控制第十章新能源发电与控制光伏发电风力发电储能系统利用太阳能发电利用风能发电储存电能光伏发电系统逆变器2将直流电转换为交流电太阳能电池1将光能转换为电能并网控制将电能送入电网3风力发电系统风力机1发电机2变流器3储能系统电池储能1抽水储能2压缩空气储能3微电网控制孤岛运行并网运行微电网是一种小型电力系统，可以实现分布式发电、储能和负荷的集成微电网可以孤岛运行，也可以并网运行微电网控制的关键是实现分布式电源的协调控制，保证系统的稳定性和可靠性第十一章电力电子应用实例电动汽车无线电能充电系统传输系统电动汽车充电系统充电桩电池管理为电动汽车提供充电接口管理电池的充放电过程无线电能传输系统发射端接收端将电能转换为电磁波将电磁波转换为电能课程总结与展望课程回顾未来展望12本课程系统地介绍了电力电子变随着电力电子技术的不断发展，换与控制技术的基本原理、设计其应用领域将越来越广泛未来方法和应用技术通过学习，学，电力电子技术将在新能源发电生掌握了电力电子器件、、智能电网、电动汽车、工业自AC/DC变换、DC/DC变换、动化等领域发挥更加重要的作用DC/AC变换、AC/AC变换、电机控制技术、控制系统建模、控制系统设计、数字控制技术以及新能源发电与控制等相关知识继续学习3希望同学们在掌握本课程的基础上，继续深入学习电力电子技术的相关知识，不断提高自己的专业技能，为未来的职业发展打下坚实的基础。