电气工程

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 电气设备与电力电子实验涉及电流、电压、功率和能量等电气参数，必须极其谨慎地操作。这些参数可能包括三相交流电压（208 V、230 V 或 480 V）、高达 250 V 的直流电压，以及可达到 10 A 的电流。当人体形成导电通路时，即使通过的电流很小，也可能损伤心脏等重要器官，导致触电，并可能引发即刻死亡。所有实验必须在具备处理此类电压和电流等级能力的受训人员在场的情况下进行。一旦发生紧急情况，应通过任一出口迅速撤离实验室，并立即拨打...

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，美国康涅狄格州斯托尔斯。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 DC/DC 变换器是一种电力电子变换器，用于将直流电压和电流从某一电平转换到另一电平。通常，电压变换是 DC/DC 变换器的主要目的，单个变换器中存在三种主要的变换类型：升压、降压以及既可升压又可降压。最常见的升压变换器包括升压型（boost）变换器（参见本系列视频：DC/DC Boost Converter），而最常见的降压变换器则包括降压型（buck）变换器（参见本系列视频：DC/DC Buck Converter）。升降压型（buck-boost）变换器也较为常见，可同时实现升压和降压功能，反激式（flyback）变换器可视为一种特殊的升降压变换器，其特点是在输入端与输出端之间实现电气隔离（参见本系列视频：Flyback Converter）。 DC/DC 变换器拓扑结构种类繁多，其控制、建模及运行性能的改进（如效率、可靠性、性能等）一直是持续关注的研究领域。本实验介绍的 HiRel Power Pole 实验板提供了一个高度灵活的工具，可在同一块电路板上用于研究和分析升压、降压及反激变换器的性能。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 升压变换器为许多需要提高直流电压的应用提供了一种灵活的解决方案，无需将直流电压转换为交流电，再通过变压器升压并整流变压器输出。升压变换器是一种利用电感作为储能元件的升压型变换器，该电感在直流输入电源的基础上向输出端提供额外能量，从而使输出电压升高。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 虽然使用变压器可以轻松地升高或降低交流电压和电流，但若要以高效且受控的方式升高或降低直流电压和电流，则需要采用开关型电源转换器。DC/DC 降压转换器通过一个串联输入开关对输入直流电压进行斩波，然后利用 L-C 低通滤波器对斩波后的电压进行滤波，从而提取出平均输出电压。当开关在开关周期的部分时间内关断时，二极管为电感电流提供通路。因此，输出电压小于或等于输入电压。 本实验的目的是研究降压变换器（buck...

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 反激式转换器是一种既能降压又能升压的升降压转换器。它通过使用耦合电感器或"反激式变压器"，实现输入端与输出端之间的电气隔离。该耦合电感器具有匝数比，能够实现电压的升压和降压功能，类似于常规变压器，但通过耦合电感器的气隙进行能量存储。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 变压器是一种静止的电气设备，用于升高或降低交流电压。它们通常由初级和次级线圈（或绕组）构成，初级侧的电压在次级侧被升高或降低，反之亦然。当电压施加到其中一个绕组上并产生电流时，磁芯中会感应出磁通，从而耦合两个绕组。当通入交流电流时，将感应出交变磁通，其变化率会在次级绕组中感应出电压（法拉第定律）。两个绕组之间的磁通耦合程度取决于各自绕组的匝数；因此，如果初级绕组的匝数多于次级绕组，则初级侧的电压将高于次级侧，反之亦然。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 直流电源通常指能够提供直流或单向电压和电流的设备。电池就是一种这样的电源，但其使用寿命和成本方面存在局限性。另一种提供单向电源的方法是使用整流器将交流市电转换为直流电。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 与二极管类似，晶闸管（也称为硅控整流器，SCR）允许电流从阳极单向流向阴极，并阻断反向电流。然而，其电流导通可通过一个"门极"端子进行控制，只需施加一个微小的电流脉冲即可触发晶闸管，使其开始导通。 晶闸管是一种四层器件，由交替的n型和p型材料层构成，从而形成具有三个结的PNPN结构。晶闸管有三个电极：阳极连接到PNPN结构中的p型材料，阴极连接到n型层，门极连接到靠近阴极的p型层。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 直流电是单向的，沿一个方向流动，而交流电则以50-60 Hz的频率交替变换方向。大多数常见的电子设备设计为使用交流电运行；因此，必须将输入的直流电源逆变为交流电。逆变器通过开关动作将直流电压转换为交流电，该动作在开关周期的部分时间内反复翻转输入直流电源在输出端或负载侧的极性。典型的功率逆变器需要一个稳定的直流电源输入，然后使用机械或电磁开关反复切换。输出波形可以是方波、正弦波或正弦波的某种变体，具体取决于电路设计和用户需求。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 直流电机使用直流电流和电压运行，而交流电机则需要交流电流和电压。直流电机是最早被发明的电机类型，其工作原理基于由直流电流控制的两个磁场。由于直流电机具有两个分别称为励磁绕组（field）和电枢（armature）的磁场，只要提供适当的励磁，同一台电机可方便地重新配置为电动机或发电机。励磁绕组通常位于定子侧，而电枢则位于转子侧（与交流电机的结构相反或内外颠倒）。励磁可通过永磁体或绕组（线圈）提供。当电流施加到电枢或转子线圈时，电流从直流电源通过静止的电刷和安装在旋转转子上的滑环传递至线圈，滑环与电刷保持接触。当转子电枢线圈中有电流通过而形成载流回路，并处于来自定子或励磁磁体的外部磁场中时，该回路会受到力的作用。由于该回路通过轴承固定在电机两侧，所受的力产生转矩，从而使转子轴旋转，而非向其他方向移动。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 变频驱动器（VFD）是一种调速驱动装置，正逐渐成为驱动大多数交流感应电动机的标准设备。VFD广泛应用于工业和自动化领域，通常可在速度、转矩或位置模式下对电动机实现可靠的控制。本实验中测试和仿真的VFD主要采用恒定电压与频率比（V/f）的开环速度控制。感应电动机通常在额定定子磁通下运行，该磁通大致与V/f比值成正比。为了维持定子磁通恒定，施加到定子的电压和频率需保持恒定比值，即V/f比值。本实验所用的VFD为1马力的Yaskawa V1000驱动器，但该实验方法适用于大多数 commercially available...

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 三相绕线转子同步发电机是全球电能的主要来源。它们需要原动机和励磁机才能发电。原动机可以是由流体（气体或液体）驱动旋转的涡轮机，因此该流体的来源可以是通过长喷嘴从水坝流下的水，也可以是通过燃烧煤炭蒸发水产生的蒸汽等。大多数发电厂，包括燃煤、核能、天然气、燃油及其他类型的发电厂，均采用同步发电机。

来源：Ali Bazzi，康涅狄格大学电气工程系，斯托尔斯，康涅狄格州。 三相绕线转子同步电动机由于转子磁场需要电刷，因此不如永磁转子同步电动机普及。同步发电机则更为常见，大多数现有的发电厂都采用此类发电机，因为它们具有优异的频率和电压调节性能。同步电动机的优点在于其转速调节几乎为0%，这是因为转子转速与定子磁场转速完全相同，使得转子转速保持恒定，不受电机轴负载大小的影响。因此，它们非常适用于恒速运行的应用场合。