電氣工程概論-第四章-電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)

1、電氣工程概論,1,第4章 電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng),電氣工程概論,2,4.1 電力電子技術(shù)的作用,電氣工程概論,3,當(dāng)今世界電力能源的使用約占總能源的40%。而電能中有40%需要經(jīng)過(guò)電力電子設(shè)備的變換才能被使用。IEEE給出電力電子技術(shù)的定義： Power electronics is the technology associated with the efficient conversion, control and

2、 conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form. 簡(jiǎn)單地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是以電子器件為開(kāi)關(guān)，把能得到的電源變換為所需要的電源的一門(mén)科學(xué)應(yīng)用技術(shù)，即電源變換技術(shù)。它是電子工程、電力工程和控制工程相結(jié)合的一門(mén)技術(shù)，以控制理論為基礎(chǔ)、以微電子器件或計(jì)算

3、機(jī)為工具、以電子開(kāi)關(guān)器件為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效變換。,電氣工程概論,4,電力電子技術(shù)的基本工作框圖：,電氣工程概論,5,容量為12kV/1.5kA的晶閘管,電氣工程概論,6,電力電子可控開(kāi)關(guān)元件,電氣工程概論,7,安裝在挪威的±160Mvar、42kV的無(wú)功發(fā)生器,電氣工程概論,8,4.2 電力電子技術(shù)的特點(diǎn),它是從電氣工程中3大學(xué)科領(lǐng)域（電力、控制、電子）發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型交叉學(xué)科。電力電子技術(shù)特點(diǎn)：弱電控制強(qiáng)電的

4、學(xué)科交叉技術(shù)；所涉及的學(xué)科廣泛，包括：基礎(chǔ)理論（固體物理、電磁學(xué)、電路理論）、專業(yè)理論（電力系統(tǒng)、電子學(xué)、傳熱學(xué)、系統(tǒng)與控制、電機(jī)學(xué)及電力傳動(dòng)、通信理論、信號(hào)處理、微電子技術(shù)）以及專門(mén)技術(shù)（電磁測(cè)量、計(jì)算機(jī)仿真、CAD）等。,傳送能量的模擬-數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)；多學(xué)科知識(shí)的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)。,電氣工程概論,9,4.3 電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容：電力半導(dǎo)體器件；變換器電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)；控制與調(diào)節(jié)；電力電子技術(shù)中

5、的儲(chǔ)能元件；電子電路的封裝與制造；電磁干擾和電磁兼容；電機(jī)控制；電力質(zhì)量控制。,電氣工程概論,10,,電力半導(dǎo)體器件—電力電子技術(shù)的核心常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件有：二極管、晶閘管、GTO、VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等。,二極管及其符號(hào),電氣工程概論,11,,晶閘管及其符號(hào),電氣工程概論,12,GTO及其符號(hào)GTO—門(mén)極可關(guān)斷晶閘管,,電氣工程概論,13,,VDMOS及其符號(hào)VDMOS—垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管,

6、電氣工程概論,14,BJT及其符號(hào)BJT—雙極晶體管,電氣工程概論,15,,IGBT及其符號(hào)IGBT—絕緣柵雙極晶體管,電氣工程概論,16,,IGCT及其符號(hào)IGCT—集成門(mén)極換向晶閘管,電氣工程概論,17,變換器電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)根據(jù)電能變換的輸入輸出形式，可以分為四種形式：交流-直流變換器（AC/DC）——整流器；直流-直流變換器（DC/DC）——斬波器；直流-交流變換器（DC/AC）——逆變器；交流-交流變換器（AC/

7、AC）——交流調(diào)壓器、周波變換器；一個(gè)性能良好的變換裝置設(shè)計(jì)，大致應(yīng)包括功能指標(biāo)設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)親和性設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。,電氣工程概論,18,控制與調(diào)節(jié) 電力電子的所有應(yīng)用都包含有控制與調(diào)節(jié)問(wèn)題。如：靜態(tài)電力變換與控制；靜態(tài)電力供應(yīng)；運(yùn)動(dòng)控制等,計(jì)算機(jī)用于電力電子技術(shù)的控制與調(diào)節(jié),電氣工程概論,19,電力電子技術(shù)中的儲(chǔ)能元件電力電子技術(shù)中的儲(chǔ)能元件有磁性元件和電容器兩類。電力電子技術(shù)中的磁性材料的種

8、類越來(lái)越多，如軟磁合金（鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵鈷釩合金等）、鐵氧體（錳鋅鐵氧體、鎂鋅鐵氧體等）、新型非晶和微晶軟磁材料（鐵基非晶、鈷基非晶等）。電容器是與磁性元件對(duì)偶的一種儲(chǔ)能和濾波元件。,印刷板上的平面變壓器,電氣工程概論,20,電子電路的封裝與制造電力半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)包括材料、制造過(guò)程、散熱管理，以及與器件電氣特性有關(guān)的布局優(yōu)化問(wèn)題。,智能化的IGBT模塊封裝,電氣工程概論,21,電磁干擾和電磁兼容電力電子技術(shù)是以du/d

9、t和di/dt方式工作，顯然電力電子系統(tǒng)工作時(shí)，就是一個(gè)大的電磁干擾源；電力電子技術(shù)中研究電磁干擾和電磁兼容是重要的內(nèi)容之一。,電力電子設(shè)備在做電磁干擾試驗(yàn),電氣工程概論,22,電機(jī)控制電力拖動(dòng)系統(tǒng)又稱為電力傳動(dòng)系統(tǒng)或電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)分為工藝調(diào)速傳動(dòng)、節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)、牽引調(diào)速傳動(dòng)和精密、特種調(diào)速傳動(dòng)四大類。,交流電機(jī)及其矢量控制調(diào)速變頻器,電氣工程概論,23,電力穩(wěn)定與電能質(zhì)量控制電能質(zhì)量包括幾個(gè)方面內(nèi)容：電壓質(zhì)量、電流質(zhì)

10、量、供電質(zhì)量、用電質(zhì)量。FACTS裝置：靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器（TSSC）、可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器（TCSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等。定制電力技術(shù)：APF、DVR、SVC、SSCB等,采用SVC、DVR和APF的電能質(zhì)量控制示意圖,電氣工程概論,24,4.5 電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域：電源設(shè)計(jì)中的電力電子技術(shù)；電機(jī)傳動(dòng)中的電力電子技術(shù)；電力系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)

11、；汽車工業(yè)中的電力電子技術(shù)；綠色照明中的電力電子技術(shù)；新能源開(kāi)發(fā)中的電力電子技術(shù)；,電氣工程概論,25,4.6 電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,集成化模塊化智能化高頻化不斷提高裝置效率不斷拓展電壓應(yīng)用范圍,電氣工程概論,26,4.7 電力傳動(dòng)概況,,電機(jī)是電氣技術(shù)所涉及的重要對(duì)象之一。電能的生產(chǎn)是由發(fā)電機(jī)完成的；電動(dòng)機(jī)則可拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械和各種負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和家用電器及辦公設(shè)備的智能化。電動(dòng)機(jī)分為直流電機(jī)和交流

12、電機(jī)兩種。在電機(jī)的發(fā)展史上，直流電機(jī)發(fā)明較早，它的電源是電池。后來(lái)才出現(xiàn)了交流電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍廣、易于平滑調(diào)速；起動(dòng)、制動(dòng)和過(guò)載轉(zhuǎn)矩大；易于控制，可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。但直流電機(jī)有一個(gè)突出的缺點(diǎn)——換流問(wèn)題。它限制了直流電機(jī)的極限容量，又增加了維護(hù)的工作量。,電氣工程概論,27,,人們研究了交流電機(jī)的調(diào)速，并取得了良好的效果，使這在某些調(diào)速場(chǎng)合代替了直流電動(dòng)機(jī)。除了普通的直流電機(jī)和交流電機(jī)外，還有各種微控電機(jī)。微控電機(jī)廣泛用

13、于各種家電、辦公設(shè)備和伺服控制系統(tǒng)中。微控電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，也是電機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。電力拖動(dòng)系統(tǒng)又稱為電力傳動(dòng)系統(tǒng)或電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)分為工藝調(diào)速傳動(dòng)、節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)、牽引調(diào)速傳動(dòng)和精密、特種調(diào)速傳動(dòng)四大類。,電氣工程概論,28,,工藝調(diào)速傳動(dòng)指生產(chǎn)工藝要求必須調(diào)速的傳動(dòng)，主要用于軋機(jī)、造紙、化工等場(chǎng)合。節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)是指一般采用風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等調(diào)節(jié)流量和壓力的場(chǎng)合。電力牽引調(diào)速傳動(dòng)則指用地電氣鐵道、地鐵，各種電動(dòng)

14、車，工礦牽引、礦井卷?yè)P(yáng)及電梯等場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、牽引的傳動(dòng)。精密、特種調(diào)速傳動(dòng)是指用于現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)等場(chǎng)合對(duì)伺服、運(yùn)動(dòng)控制要求特別高的傳動(dòng)。,電氣工程概論,29,,正是因?yàn)殡娏鲃?dòng)系統(tǒng)具有如此廣泛的應(yīng)用背景，再加上電力電子技術(shù)的飛速發(fā)民，近十年來(lái)全球工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)調(diào)速裝置增長(zhǎng)了25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前30年的增長(zhǎng)率。隨著微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使全數(shù)字微機(jī)控制的電力拖動(dòng)系統(tǒng)得以問(wèn)世并迅速發(fā)展起來(lái)。微機(jī)控制技術(shù)在電力拖動(dòng)系

15、統(tǒng)中的應(yīng)用給這一領(lǐng)域注入了新的活力，使之呈現(xiàn)現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的新景象。,電氣工程概論,30,4.7.1 電力傳動(dòng)概述,電機(jī)工作時(shí)，根據(jù)其控制的對(duì)象不同，有的需要在一定寬范圍內(nèi)調(diào)速，有的需要一定負(fù)載變化范圍內(nèi)穩(wěn)速，有的需要以一定的要求加速和減速等?？傊?，電機(jī)傳動(dòng)需要滿足控制對(duì)象機(jī)械運(yùn)動(dòng)的出力和速度要求。電力傳動(dòng)就是利用電力電子變流裝置對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以滿足控制對(duì)象負(fù)載的特性要求。,電氣工程概論,31,典型的電力傳動(dòng)

16、系統(tǒng)框圖,電氣工程概論,32,4.7.2 直流電機(jī)傳動(dòng),直流電機(jī)，既可作發(fā)電機(jī)用，又可作電動(dòng)機(jī)用。通以直流電而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能的運(yùn)行方式為直流電動(dòng)機(jī)工作方式；施加轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能而發(fā)出直流電的運(yùn)行方式為直流發(fā)電機(jī)工作方式。直流電機(jī)傳動(dòng)主要是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式，即通以直流電，使電機(jī)按照要求輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)傳動(dòng)在制動(dòng)時(shí)，電機(jī)可以是發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式，發(fā)出直流電，把旋轉(zhuǎn)機(jī)械能變成電能回饋到直流電網(wǎng)中。,電氣工程概論,33,DC-DC直流斬波主電路,電