电力电子的一些知识

0 基础符号说明

电容、电感、电阻

电容 C
Electrolytic capacitor 电解电容 EC
电感 L
电阻 R

U/IC

集成电路

二极管、三极管

二极管 D
三极管 Q

TP

Test point测试点

J

插座

1电路模型和电路定律

1.8 基尔霍夫定律

基尔霍夫电压定律KVL：沿任一回路，所有支路电压的代数和为零。
基尔霍夫电流定律KCL：对一个结点，所有流出结点的支路电流代数和为零。

• Note：流入=流出

2 电阻电路的等效变换

3 电阻电路的分析法

4 电路定理

6 储能元件

τ的含义：时间常数
对于电容：

对于电感 ：

6.1 电容元件

6.1.1 概念

无源元件。（需要电源才能工作的器件）

• 电容的基本公式
  

• 特性：通交阻直；由于交流变化可以在电容板两侧产生感应电荷，所以通交流；由于电容板之间没有导电介质，所以阻直流。

• 电压公式
  
  其中Q是电量，U是板间电压。

6.1.2 容抗

等效电阻

6.1.3 电容种类

他们的内部介质不同

6.1.3.1 安规电容

安规电容是通过了安全规范测试认证，符合国家安全标准。电容失效之后不会起火

• 位置
  
  作用就是滤除高频干扰
  
  x电容率滤除差模干扰，Y电容滤波共模干扰
  
• X电容
  
  高频干扰从火线进来，零线出去。由于差模，所以有电位差，可以给X电容充电。
• Y电容
  
  两根线同时受到干扰，幅值同向波动。
  二者都十分耐压
  

6.1.3.2 电解电容

电解电容只允许加正电压，不允许加反电压，会爆炸。

6.1.4 电容作用

6.1.4.1 降压

断电之后，电容上的电压很高，所以加一个电阻泄压

6.1.4.2 滤波

通高频阻低频；

当频率低的时候，容抗贼拉大。

串联分压，就会承担绝大多数的电压。

当频率高时，容抗为0。因此没有阻碍作用。

图解如上，当截止频率时，输出电压的幅度可达70%。

6.1.4.3 延时

6.1.4.4 解耦合

当电流激增时，电路中的电感、电阻产生反弹效果，产生电流噪音，这种现象叫做耦合。电容可避免元器件之间相互耦合干扰。
滤直通交。滤除低频。

6.1.4.5 旁路

滤除高频交流信号。

比如给芯片供电时，习惯性紧靠着芯片，加一个0.1uF旁路电容，从而滤除高频。

6.2 电感元件

6.2.1 概念

L是电感元件的参数称作自感系数或电感，是一个正常的实数。线圈产生的磁链与电流之比。
$$L=\frac{\psi }{i}$$

• 电感的基本公式
  

Feature：通直阻交；
Feature principal:中间接通，所以通直；


电感第一公式

6.2.2 储能

电流通过电感（器件）时储存的电能：
$$E=\frac{1}{2}L{i}^2$$

6.2.3 伏秒原则

处于稳定状态的电感

• 开关导通时间（电流上升段）的伏秒数须与开关关断（电流下降段）时的伏秒数在数值上相等，尽管两者符号相反。
• 绘出电感电压对时间的曲线，导通时段曲线的面积必须等于关断时段曲线的面积 。
• 加在电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感两端电压乘以关断时间
• 在一个周期 T 内， 电感电压对时间的积分为 0，称为伏秒平衡原理。

任何稳定拓扑中的电感都是传递能量而不消耗能量， 都会满足伏秒平衡原理

6.3 换路定则

• 换路前后电容电流和电感电压为有限值的条件下，换路前后的瞬间电容电压和瞬间电感电流不能跃变。

电荷泵电路

利用电容的充放电实现电路的升压。

当S1与S4闭合C1电容开始充电

之后断开S1和4，闭合S2和3，此时C1与电压源串联放电，C2的电压就超过了电压源可以提供的电压。

9 正弦稳态电路的分析

9.1 阻抗和导纳

9.4 正弦稳态电路的功率

单位：1瓦特（1W）=1焦/秒(1J/s)=1伏·安(V·A)
单位时间内所做的功。

9.4.1 交流容量、视在功率

即视在功率，单位VA，V*I

• 交流电源所能提供的总功率，称之为视在功率或表现功率，在数值上是交流电路中电压与电流的乘积。视在功率用S表示。单位为伏安（VA）或千伏安（KVA）。
• S=UI

9.4.2 直流容量、有功功率

• 有功功率，简称“有功”， 用“P”表示，单位是瓦（W）或千瓦（KW）。
• 一般负载说的额定功率就是W。
  与电压同相位的电流的分量乘电压的值。
• 它的大小等于瞬时功率最大值的1/2，就是等于电阻元件两端电压有效值与通过电阻元件中电流有效值的乘积
  • W=VA功率因数。
  • 反映了交流电源在电阻元件上做功的能力大小
• P=UIcosφ

9.4.3 无功功率

无功功率。简称“无功”，用“Q”表示。单位是乏（Var）或千乏(KVar)

• 表达了交流电源能量与磁场或电场能量交换的最大速率。
• 有线圈和铁芯的感性负载，它们在工作时建立磁场所消耗的功率即为无功功率。如果没有无功功率，电动机和变压器就不能建立工作磁场。
• Q=UIsinφ

9.4.4功率三角形

视在功率（S）、有功功率（P）及无功功率（Q）之间的关系，可以用功率三角形来表示。
功率因数：

• 电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示
• 在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S
  

功率因数

功率因数过高即无功过低，虽然减少了系统的无功率量，但会影响电路的稳定性。

功率因数过低意味着电路用于交变磁场转换的无功功率大，这会降低设备的利用率并增加线路供电损失。

在实际应用中，功率因数应该维持在一个合理的范围内，既不过高也不过低。

9.4.5 有功与电流的关系

当交流电的电压为有效值
$$额定相电流有效值=\frac{额定功率}{额定线电压/\sqrt{3}}$$
$$电流的标幺值=\frac{实际相电流的有效值}{额定相电流的有效值}$$

10 含有耦合电感的电路

10.4 变压器原理

变压器第一公式

12 三相电路

目前世界各国的电力系统中的电能的生产传输和供电方式绝大多数采用三相制。三相电路已经形成规范化和标准化，它主要由三相电源三相负载和三相输电线路三部分组成。

12.1 三相电路

对称三相电源是由三个同频率等幅值，初相依次滞后120度的正弦电压源连接成星形或者是三角形组成的电源。
以上述三相电压的相序abc为正序。与此相反，如果b相超前a相120度，c相超前b相120度，这种相序称为逆序。相位差为零的相序为零序，电力系统已采用正序。

对称三相电压满足以下公式我国的三相系统电源频率为50赫兹入户电压为220伏，而欧美日等国的为60赫兹110伏。

星形和三角形的连接方式如下图所示。
对称三相电压源的电压波形和向量图如下图所示。
三个阻抗连接成三角形或者是星形方式就构成了三角形或星形负载。当这三个阻抗相等时，就称为对称三相负载。

要注意的是，电源为星型，负载可以为三角形。反之亦然。

在星型与星形的连接中，如果把三相电源中的中性点n和负载的中性点n撇，用一条具有阻抗为zn的中性线连接起来。则这种连接方式称为三相四线制方式，上述其余的连接方式都属于三相三线。

在实际的电路中，三相电源是对称的，三条端线阻抗是相等的，但负载则不一定是对称的。

12.2 线电压电流与相电压电流的关系

三相系统中流经输电线中的电流称为线电流。如12-2中的Ia点Ib点和ic点。 In点则称为中性线的电流。

线电压和相电压的基本信息可以查看

线电压是指的火线与火线之间的电压，也就是相间的电压。相电压指的是火线与零线之间的电压。

三相电源和三相负载中的每一相的电压电流称为相电压和相电流。

对于对称星形电源，相电压和线电压的关系，结合12-1图所示，根据kvl有。
其中Uab为线电压。 Ua为相电压。

对称的星形三相电源端的线电压和相电压之间的关系可以用一种特殊的电压相量图表示。
上图为公式12-1的向量图拼接而成。
从图中可以看出线电压与对称相电压之间的关系可以用电压定三角形说明，相电压对称时线电压也一定依序对称，它是相电压的根号三倍，依次超前相电压相位30度。

对于三角形电源来说，相电压和线电压是相等的。

对于星形连接来说，线电流是等于相电流的，但对于三角形不是这样。三角形电流的关系如图12-3的b所式。公式如下图所示。

正序分量

对于正序来说，任意交换两相都是逆序。
把三相不平衡的电流、电压分解成三组对称的正序分量、负序分量、零序分量；

对于理想的电力系统，由于三相对称，因此负序和零序的分量数值都为0。这就是我们常说的正常状态下只有正序分量的原因。

当系统出现故障时，就能分解出有幅值的负序和零序分量了，但有时只是其中的一种。

零序
正序

负序

12.3对称三相电路的计算

对称三相电路是一类特殊类型的正弦交流电路。

只要分析计算三相中的任意一项其他两相的电流就可以按对称顺序写出。这就是对称的形星形三相电路归结为一项的计算方法。

12.4不对称三相电路的概念

在三相电路中，只要有一部分不对称就称为不对称三相电路。

• 比如对称三相电路的某一条端线断开或者是某一项负载发生短路或开路，就失去了对称性。

12.5 三相电路的功率

对称三相电路的瞬时功率是一个常值，其值等于平均功率，这是对称三相电路的一个优越性能，习惯上把这一性能称为瞬时功率平衡。

16 二端口网络

16.1 二端口网络

一端口：如果一个复杂电路只有两个端子向外连接，切仅对外接电路中的情况感兴趣，则该电路可视为一个一端口。
二端口：输入输出各有两个端口。对于所有时间ｔ，如果从端子１流入方框的电流等于从端口１’流出的电流；同时，从端子２流入方框的电流等于从端口２‘流出的电流，则该电路称为二端口网络。

19 嵌入式硬件

19.1 高组态

即非高，亦非低，电平不确定，处于隔断状态。可以近似看做输入输出电阻非常大，极限认为悬空，与悬空的实际作用一样。

19.2 电阻

使用优先数

巴黎协会定的，E是电的首字母。E6系列电阻的精度为20%。


最后结果。
相差约等于一点五倍。
同理，E12。E12系列电阻精度为10%。

系列有包含关系，所以越靠上的出现频率越高。

19.2.2 上拉电阻

作用：将单片机引脚的电压拉高或者拉低。

19.2.2.1 可靠高电平

• 上拉电阻可以得到可靠的高电平。
  
  可靠高电平作用原理
  

• 当没有上拉电阻的时候，相当于接了两个无穷大的内部电阻，也就无法预测中间电位的电压

• 当有了上拉电阻的时候，并联电阻小于上拉电阻的值，就会得到接近5V的高电压。

19.2.2.2 提高驱动能力

驱动能力，当单片机不能提供足够的电流的时候，通过上拉电阻补偿
没加上拉电阻前

加了上拉电阻后

并联分压，电阻变小，提升引脚电压，提高驱动能力

19.2.2.3 阻值选择

考虑功耗问题，一般选择4.7K-10K ，阻值越大功耗越小。
考虑MOS管的延时，电阻太大延时太长。

19.2.3下拉电阻

19.2.3.1 可靠低电平

在引脚悬空的时候，可能有噪声干扰导致芯片误判高低电平。用下拉电阻可以让悬空的信号牢靠的接地。

输入之所以是不确定的，是因为三极管的基极上的电压是飘忽不定的

当接了下拉电阻，电阻和三极管是串联分压的关系，电阻上分到的压相对于三极管不导通的状态约等于0；

为什么不直接接地？
那高电平来了你也检测不到了。电压为零。

19.3 晶振

19.3.1 压电效应

对石英进行挤压时，两端会产生不同的电荷。

19.3.2 晶振原理

在薄石英片两端搞上电极，通交流电，薄片会做周期性的伸缩。就开始振动了。大小和形状会影响振动频率。所以切好的时候基本频率就固定了。

19.3.3实物

• 左图为有源晶振，内部是一个小型的时钟电路。
• 右图为无原晶振也叫晶体)，需要单片机等外部提供时钟电路。

CPU

初代CPU是海量继电器的组合，也就是开关，现在则是三极管代替。

电力电子的一些知识

桥电路

CHB

cascaded H bridge 三相级联H桥

DAB

双有源变换器

电路器件

LM7815与LM7915

名称：78开头都表示正的，79开头都表示负的

开关电器

接触器、继电器和断路器都是一种开关。断路器和继电器是用在电气一次回路的，可以通断大电流，而继电器则是用在电气二次回路的，触点很小，只能通断小电流。

继电器

主要应用了右手螺旋定则，就是一个小电流控大的电磁开关。
用于够成保护回路。保护回路是由电流电压互感器采集信号，通过继电器判断是否需要动作。


时间继电器，中间继电器等。它们是可以构成延时效果，或者增加触头数目，或者增加触头容量等效果。（关键：用于二次回路）
电气符号：

接触器

接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。跟继电器原理相同，主要用在主回路中。

• 区别是继电器通断的电流一般较小，用在控制回路中；继电器触头容量一般不超过5安培；继电器触头一般不分主辅，不配备灭弧罩。
• 接触器用来接通和断开主电路，通断电流大；接触器触头容量一般不低于10安培；接触器触头有三对主触头和几对辅助触头，且配备灭弧罩。

内部结构

• 三个主触头下连接热敏金属片，电动机过载，双金属片受热变形，左边的辅助触头触发。
• 触发之后，常闭变常开，常闭点接接触器的线圈，断开后电路断开。常开变常闭，常开接警报。
  

电气符号

断路器

• 断路器的功能主要有保护负载和短路的电流，用于过载和短路的保护用的开关。断路器能够承受比较大的负荷和非常大的短路电流，而且有自动断路的功能。

指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。

• 断路器起到了保护电气过电流、过电压等作用
  
  电气符号
  

断路器和隔离开关的区别？

断路器通常采用遥控电动操作，而隔离开关则多采用就地手动操作。

使用场景：断路器因其强大的灭弧功能和保护功能，可在带负载下关断，适用于高压电路。而隔离开关则主要用于小负载的情况下关断。

功率转矩

功率的转矩表达：

THD

总谐波失真，total harmonic distribution

故障保护

硬件

硬件过压

硬件过压的阈值要高于软件过压，当软件没起到保护作用的时候由硬件触发。

软件

反接保护

对于AC，反接说的是相序反接。
对于DC，反接说的是正负反接，此时电压表现为负的。而当判断时可以按照小于正常电压的-10%作为阈值。

EMC

电磁兼容性（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。

谐波

谐波失真率

谐波失真率通常定义为所有谐波的方均根值的方和根与基波方均根值的比例