《智能可控整流電路》課件

智能可控整流電路電力電子技術(shù)核心技術(shù)控制電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)課程簡介課程內(nèi)容整流基礎(chǔ)、器件、單三相電路、智能控制課時安排理論48學(xué)時，實驗16學(xué)時適用對象電氣工程、自動化專業(yè)高年級學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計智能整流系統(tǒng)實踐技能掌握調(diào)試測試方法理論掌握理解工作原理和特性第一章：可控整流電路基礎(chǔ)認(rèn)識交流轉(zhuǎn)直流過程能量轉(zhuǎn)換基本原理了解控制參數(shù)觸發(fā)角、輸出特性掌握分析方法波形、電壓電流關(guān)系1.1可控整流的概念定義通過控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，將交流電轉(zhuǎn)換為可控直流電的過程特點輸出電壓可調(diào)能量流向可控效率較高1.2可控整流器的分類按相數(shù)單相整流器三相整流器1按控制方式半控型全控型2按電路結(jié)構(gòu)半波整流全波整流橋式整流31.3可控整流電路的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)驅(qū)動電機調(diào)速系統(tǒng)軋鋼機控制起重設(shè)備電力系統(tǒng)高壓直流輸電靜止無功補償器電能質(zhì)量治理消費電子充電器開關(guān)電源照明調(diào)光第二章：功率電子器件1二極管時代不可控整流2晶閘管時代相控整流3MOSFET/IGBT時代PWM控制4寬禁帶器件時代高頻高效2.1晶閘管簡介大功率單只器件可達(dá)數(shù)千安培耐高壓可達(dá)數(shù)千伏電壓等級速度適中工作頻率通常<1kHz2.2晶閘管的工作原理PNPN四層結(jié)構(gòu)形成兩個耦合晶體管正向阻斷狀態(tài)陽極正，柵極無觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)柵極觸發(fā)后鎖存導(dǎo)通關(guān)斷條件主回路電流降至維持電流以下2.3IGBT和MOSFET介紹特性MOSFETIGBT控制特性電壓控制電壓控制頻率范圍高(>100kHz)中(~20kHz)功率范圍低-中中-高導(dǎo)通電阻高低2.4功率器件的選擇1kHz晶閘管頻率上限適合工頻和低頻應(yīng)用20kHzIGBT頻率范圍變頻器主流器件100kHz+MOSFET頻率范圍開關(guān)電源常用99%+器件效率直接影響系統(tǒng)性能第三章：單相可控整流電路1結(jié)構(gòu)簡單元件少，控制簡單2應(yīng)用廣泛家電，小功率工業(yè)設(shè)備3功率有限通常<10kW應(yīng)用3.1單相半波可控整流電路工作原理只利用交流電正半周控制方法調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角α輸出特性Vd=(Vm/π)(1+cosα)3.2單相全波可控整流電路觸發(fā)角α(°)輸出電壓Vd(V)3.3單相橋式全控整流電路電路組成四個晶閘管構(gòu)成橋臂對角導(dǎo)通方式技術(shù)優(yōu)勢輸出電壓高利用率高可實現(xiàn)四象限運行3.4單相橋式半控整流電路電路組成兩個晶閘管和兩個二極管控制特點只能在一、二象限運行經(jīng)濟性成本低于全控型3.5單相可控整流電路的波形分析第四章：三相可控整流電路應(yīng)用領(lǐng)域大功率工業(yè)設(shè)備功率等級數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦輸出特性輸出平滑，紋波小34.1三相半波可控整流電路電路特點三個晶閘管連接三相電源結(jié)構(gòu)簡單變壓器利用率低控制方式每相移相120°導(dǎo)通角通常為120°觸發(fā)角α可調(diào)4.2三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)六個晶閘管構(gòu)成三個橋臂換流規(guī)律60°導(dǎo)通方式性能輸出平滑，紋波小，效率高4.3三相橋式半控整流電路電路組成三個晶閘管+三個二極管導(dǎo)通特性電流不可逆應(yīng)用場景單向負(fù)載，成本敏感應(yīng)用4.4三相可控整流電路的波形分析輸出電壓平均值(V)紋波系數(shù)(%)第五章：智能控制策略人工智能控制自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)先進(jìn)控制算法預(yù)測控制、模糊控制基礎(chǔ)數(shù)字控制PID、PWM技術(shù)5.1PWM控制技術(shù)基本原理通過調(diào)節(jié)脈沖寬度控制輸出電壓平均值載波調(diào)制方式控制優(yōu)勢響應(yīng)速度快控制精度高易于數(shù)字實現(xiàn)應(yīng)用方式SPWMSVPWM隨機PWM5.2模糊控制基本思想模擬人的思維方式語言變量描述基于規(guī)則推理模糊推理過程模糊化推理計算去模糊化5.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制建立網(wǎng)絡(luò)模型輸入層、隱藏層、輸出層學(xué)習(xí)訓(xùn)練收集數(shù)據(jù)、優(yōu)化權(quán)重在線控制自適應(yīng)調(diào)整5.4自適應(yīng)控制狀態(tài)估計測量系統(tǒng)參數(shù)模型計算更新系統(tǒng)模型控制參數(shù)優(yōu)化調(diào)整控制器參數(shù)執(zhí)行控制輸出控制信號第六章：數(shù)字控制技術(shù)DSP平臺高速數(shù)字信號處理FPGA平臺可編程邏輯結(jié)構(gòu)MCU平臺簡單低成本方案6.1DSP在可控整流中的應(yīng)用1硬件特點高速處理能力，專用乘法器軟件開發(fā)C語言，匯編，庫函數(shù)性能優(yōu)勢復(fù)雜算法實時計算6.2FPGA在可控整流中的應(yīng)用硬件加速并行計算能力可重構(gòu)邏輯納秒級響應(yīng)開發(fā)流程HDL編程仿真驗證時序約束功能驗證6.3微控制器在可控整流中的應(yīng)用硬件架構(gòu)集成CPU、存儲器、外設(shè)的單芯片系統(tǒng)低功耗設(shè)計開發(fā)環(huán)境C/C++Arduino平臺圖形化編程應(yīng)用場景小功率設(shè)備家電控制低成本系統(tǒng)第七章：電路保護與EMC設(shè)計過壓保護保護敏感器件過流保護防止損壞和發(fā)熱EMC設(shè)計減少電磁干擾可靠性驗證確保長期穩(wěn)定工作7.1過壓保護7.2過流保護熔斷器一次性保護元件自恢復(fù)保險絲可多次使用電子過流保護精確控制，快速響應(yīng)7.3EMC設(shè)計原則源頭控制減少干擾產(chǎn)生2傳播路徑處理濾波，屏蔽，接地增強抗干擾能力提高系統(tǒng)抗擾度7.4PCB布局布線技巧功能區(qū)劃分強弱電分離，模擬數(shù)字隔離關(guān)鍵走線短而粗，避免環(huán)路多層設(shè)計完整接地層，電源層第八章：變壓器漏抗的影響實際影響換流過程延遲輸出電壓降低換流重疊角增加理論分析等效電路建模數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)計算機仿真8.1變壓器漏抗的概念物理成因磁通不完全耦合1測量方法短路測試2電路表示串聯(lián)等效電感38.2漏抗對換流過程的影響漏抗百分比(%)重疊角(°)輸出電壓下降百分比(%)8.3減小漏抗影響的方法變壓器設(shè)計優(yōu)化減小漏磁路徑改進(jìn)繞組結(jié)構(gòu)采用分段繞組電路方案串聯(lián)電容補償觸發(fā)角提前添加緩沖電路控制算法補償電壓反饋調(diào)節(jié)模型預(yù)測控制自適應(yīng)控制第九章：功率因數(shù)校正無PFC問題低功率因數(shù)，高諧波被動PFCL-C濾波，簡單經(jīng)濟3主動PFC開關(guān)控制，高性能9.1功率因數(shù)校正的重要性0.5-0.7整流器原始功率因數(shù)未校正狀態(tài)30%+諧波電流含量造成電網(wǎng)污染0.95+校正后功率因數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求85%+電網(wǎng)利用率提升降低線損9.2被動功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)輸入電感濾波電容諧振電路特點無需控制可靠性高體積較大校正效果有限9.3主動功率因數(shù)校正電壓電流檢測實時監(jiān)測輸入信號控制算法計算最優(yōu)開關(guān)時序功率變換高頻開關(guān)調(diào)制3輸出穩(wěn)定濾波和反饋調(diào)節(jié)4第十章：智能可控整流系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)規(guī)劃需求分析，方案選擇硬件設(shè)計電路設(shè)計，PCB布局軟件開發(fā)算法實現(xiàn)，調(diào)試優(yōu)化測試驗證功能測試，可靠性驗證10.1系統(tǒng)總體架構(gòu)人機界面操作監(jiān)控控制層智能決策，算法執(zhí)行3驅(qū)動層信號轉(zhuǎn)換，功率驅(qū)動功率層電能變換，重載處理10.2控制算法設(shè)計1參數(shù)檢測電壓電流采樣2狀態(tài)估計系統(tǒng)模型計算3控制決策優(yōu)化控制量4輸出執(zhí)行PWM生成10.3硬件電路設(shè)計信號采集電路電壓傳感器電流傳感器信號調(diào)理控制核心處理器選型存儲器配置時鐘系統(tǒng)驅(qū)動電路光電隔離驅(qū)動放大電平轉(zhuǎn)換10.4軟件程序設(shè)計系統(tǒng)初始化硬件配置，參數(shù)設(shè)置主循環(huán)處理狀態(tài)機，任務(wù)調(diào)度中斷服務(wù)采樣觸發(fā)，定時控制10.5系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化硬件調(diào)試電路測試，信號驗證軟件調(diào)試斷點跟蹤，日志分析性能優(yōu)化參數(shù)調(diào)整，效率提升4可靠性測試溫度驗證，長時運行第十一章：智能可控整流的應(yīng)用實例11.1電機驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用風(fēng)機水泵，傳送帶，起重設(shè)備控制特點速度精確調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩控制節(jié)能效果比傳統(tǒng)方式節(jié)能30%-50%11.2不間斷電源（UPS）整流充電交流轉(zhuǎn)直流，電池充電1在線監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)檢測2故障切換電池供電逆變3電網(wǎng)恢復(fù)自動切回，充電補充411.3新能源并網(wǎng)逆變器能源來源太陽能風(fēng)能儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)最大功率點跟蹤電網(wǎng)同步控制孤島檢測智能調(diào)度11.4電動汽車充電系統(tǒng)充電模式慢充（交流）快充（直流）無線充電保護功能過充保護短路保護溫度監(jiān)控通信故障保護智能特性遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶認(rèn)證負(fù)載均衡計費管理第十二章：未來發(fā)展趨勢新型器件SiC，GaN高效器件算法創(chuàng)新AI與深度學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)集成能源路由，分布式控