电力电子技术实现电能变换与控制的原理

简介: 本文介绍了电力变换的四大类型:AC-DC、DC-AC、DC-DC和AC-AC,以及相关变换电路的工作原理。DC-DC变换分为非隔离(Buck、Boost、Buck-Boost)和隔离型电路,如推挽、反激等。AC-DC变换,即整流,通过桥式整流电路实现,可控整流用于调节输出电压。逆变(DC-AC)涉及全桥逆变电路,用于将直流电转换回交流电。这些变换在电源转换、电机控制和通信系统中至关重要。

为了能让大家更清楚直观地理解,文中将对电力变换类型及常用电力变换电路的工作原理进行分析介绍。

通常所用的电力有交流(AC)和直流(DC)两种,交流电主要从公用电网中获得,直流电主要从蓄电池或干电池中获得。

根据电源与负载的电力类型,电力变换分为交流变直流(AC-DC)、直流变交流(DC-AC)、直流变直流(DC-DC)以及交流变交流(AC-AC)四类。那么,它们之间到底是如何变换的呢?

一、直流-直流变换

直流-直流变换电路的功能是将一种直流电变为另一种直流电。根据电路结构不同,直流-直流变换电路分为非隔离型DC-DC电路以及隔离型DC-DC电路。

非隔离型DC-DC电路主要实现直流的直接变换,又分为升压(Buck)、降压(Boost)以及升降压(Buck-Boost)电路,其电路结构如图所示。其中降压/升压电路(Buck/Boost)应用最为广泛。

以Boost电路为例,对非隔离型DC-DC电路的工作原理进行分析:

首先假设电路中电容值与电感值很大。当可控开关V处于通态时,电源E向电感L充电,同时电容C向负载R供电,由于电容值很大,所以输出电压uo基本保持为恒定值;当V处于断态时,电源E和电感L共同向电容C充电并向负载R供电。

Boost电路的输出波形如图所示:

隔离型DC-DC电路主要实现直-交-直变换,电路中包含交流环节且多采用变压器进行输入输出隔离。电路中推挽、反激、移相全桥拓扑、LC拓扑以及LLC拓扑被广泛应用于各类工业电源中。

各类隔离型DC-DC变换电路的优缺点、功率范围以及应用领域如表所示。

二、交流-直流变换

交流-直流变换又称为整流。整流电路按输入交流的相数可分为单相整流与多相整流;按照构成器件可分为全控整流、半控整流以及不控整流;按电路结构可分为桥式整流与零式整流。常用的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路以及倍压整流电路。

其基本的电路结构如图所示:

以单相桥式不控整流电路为例对整流电路的工作原理进行分析:

单相桥式不控整流电路由四个整流器件构成,其中VD1与VD4构成一组桥臂,VD2与VD3构成另一组桥臂。

0-t1:输入电压正半周,VD1、VD4串联承受正向电压导通,电流经VD1- R-VD4流动,输出电压按照正弦规律变化;

t1-t2:输入电压负半周,VD2、VD3串联承受正向电压导通,电流经VD3- R-VD2流动,输出电压按照正弦规律变化;

单相桥式不控整流电路的输出电压波形如图所示:

可控整流采用的功率器件均为可控器件,如晶闸管、IGBT等。可控整流电路可以通过开关器件的导通、关断来调节整流输出电压大小。常用的可控整流电路有三相桥式PWM整流电路与Boost-PFC整流电路,其电路结构见下图。

整流电路是电力电子电路中出现和应用最早的形式之一,它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛,例如直流电动机、电镀电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。

电力电子技术早期为整流器时代,后期则进入逆变器时代,下面让我们一起来了解逆变变换。

三、直流-交流变换

与整流相对应,直流-交流变换又称为逆变。当交流侧接有电源时(接入电网)为有源逆变,交流侧直接连接负载时为无源逆变。实际应用中,常用的逆变电路为全桥逆变电路,电压型全桥逆变电路的结构如图所示。

以单相电压型全桥逆变电路为例对逆变电路的工作原理进行分析:

电路中两个桥臂为方向臂,另两个桥臂为斩波臂,这里V1、V2为方向臂,V3、V4为斩波臂。当调制信号ur>0,V1导通而V2关断,输出平均电压大于零;当调制信号ur<0,V1关断而V2导通,输出平均电压小于零;当ur>uc时,V4导通而V3关断。

相关文章
|
存储 缓存 并行计算
CPU组成元素:运算器+控制器(一)
CPU组成元素:运算器+控制器
5290 0
|
Web App开发 存储 Linux
Linux(33)Rockchip RK3568 Ubuntu22.04上通过SSH运行Qt程序和关闭Chrome的密钥提示
Linux(33)Rockchip RK3568 Ubuntu22.04上通过SSH运行Qt程序和关闭Chrome的密钥提示
2038 0
|
C语言
C语言入门——printf(““)左对齐与右对齐问题
C语言入门——printf(““)左对齐与右对齐问题
2295 0
C语言入门——printf(““)左对齐与右对齐问题
|
传感器 存储 人工智能
一文彻底搞清楚数字电路
数字电路是处理离散二进制信号(0和1)的电子电路,由逻辑门(如与门、或门等)组成,实现各种逻辑运算。它在计算机、通信、自动控制和数字信号处理等领域广泛应用。例如,CPU通过数字电路执行算术和逻辑运算,PLC用于工业自动化控制,数字滤波器则用于信号处理。数字电路以高电平(如5V)表示1,低电平(如0V)表示0,简化了信号处理并提高了系统的可靠性和抗干扰能力。
2201 0
一文彻底搞清楚数字电路
|
存储 前端开发 API
在网页中进行音频录制
【10月更文挑战第9天】
1092 58
|
数据采集 Java 数据处理
Python实用技巧:轻松驾驭多线程与多进程,加速任务执行
在Python编程中,多线程和多进程是提升程序效率的关键工具。多线程适用于I/O密集型任务,如文件读写、网络请求;多进程则适合CPU密集型任务,如科学计算、图像处理。本文详细介绍这两种并发编程方式的基本用法及应用场景,并通过实例代码展示如何使用threading、multiprocessing模块及线程池、进程池来优化程序性能。结合实际案例,帮助读者掌握并发编程技巧,提高程序执行速度和资源利用率。
803 0
|
传感器
遥感物理基础(1) 电磁波谱与电磁辐射
本文内容较为枯燥,是遥感的物理原理,作者已经尽量去帮助读者理解了,无论是精细的阅读还是走马观花,长期下来都能提高读者对专业的了解;电磁辐射是遥感传感器与远距离目标联系的纽带。不同类型地物具有不同的电磁辐射,遥感技术正是利用地物的的不同辐射特征,转变成数据或影像,达到探测地面目标的目的。因此,要应用遥感技术,必须了解电磁辐射的基本性质及地物的波谱特征。​ 电磁波是遥感技术的重要物理理论基础。
3253 0
|
存储 机器学习/深度学习 算法
【博士每天一篇文献-算法】Gradient Episodic Memory for Continual Learning
本文介绍了一种名为Gradient Episodic Memory(GEM)的算法,旨在解决神经网络在持续学习中的灾难性遗忘问题,通过构建经验记忆库传递知识,同时提出了评估模型在任务间转移知识和避免遗忘能力的度量指标。
633 0
【博士每天一篇文献-算法】Gradient Episodic Memory for Continual Learning
从零开始做逆变器系列 ( 二 ): 单极性、双极性、单极性倍频SPWM
从零开始做逆变器系列 ( 二 ): 单极性、双极性、单极性倍频SPWM
|
安全 网络协议 网络安全
BACnet初学者教程,第一章:BACnet/IP介绍
BACnet初学者教程,第一章:BACnet/IP介绍
1048 0