電氣工程概論-第四章-電力電子技術與電力傳動

1、電氣工程概論,1,第4章 電力電子技術與電力傳動,電氣工程概論,2,4.1 電力電子技術的作用,電氣工程概論,3,當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)過電力電子設備的變換才能被使用。IEEE給出電力電子技術的定義： 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. 簡單地說，電力電子技術就是以電子器件為開關，把能得到的電源變換為所需要的電源的一門科學應用技術，即電源變換技術。它是電子工程、電力工程和控制工程相結合的一門技術，以控制理論為基礎、以微電子器件或計算

3、機為工具、以電子開關器件為執(zhí)行機構實現(xiàn)對電能的有效變換。,電氣工程概論,4,電力電子技術的基本工作框圖：,電氣工程概論,5,容量為12kV/1.5kA的晶閘管,電氣工程概論,6,電力電子可控開關元件,電氣工程概論,7,安裝在挪威的±160Mvar、42kV的無功發(fā)生器,電氣工程概論,8,4.2 電力電子技術的特點,它是從電氣工程中3大學科領域（電力、控制、電子）發(fā)展起來的一門新型交叉學科。電力電子技術特點：弱電控制強電的

4、學科交叉技術；所涉及的學科廣泛，包括：基礎理論（固體物理、電磁學、電路理論）、專業(yè)理論（電力系統(tǒng)、電子學、傳熱學、系統(tǒng)與控制、電機學及電力傳動、通信理論、信號處理、微電子技術）以及專門技術（電磁測量、計算機仿真、CAD）等。,傳送能量的模擬-數(shù)字-模擬轉換技術；多學科知識的綜合設計技術。,電氣工程概論,9,4.3 電力電子技術的研究內容,電力電子技術的研究內容：電力半導體器件；變換器電路結構與設計；控制與調節(jié)；電力電子技術中

5、的儲能元件；電子電路的封裝與制造；電磁干擾和電磁兼容；電機控制；電力質量控制。,電氣工程概論,10,,電力半導體器件—電力電子技術的核心常見的功率半導體器件有：二極管、晶閘管、GTO、VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等。,二極管及其符號,電氣工程概論,11,,晶閘管及其符號,電氣工程概論,12,GTO及其符號GTO—門極可關斷晶閘管,,電氣工程概論,13,,VDMOS及其符號VDMOS—垂直雙擴散金屬氧化物場效應管,

6、電氣工程概論,14,BJT及其符號BJT—雙極晶體管,電氣工程概論,15,,IGBT及其符號IGBT—絕緣柵雙極晶體管,電氣工程概論,16,,IGCT及其符號IGCT—集成門極換向晶閘管,電氣工程概論,17,變換器電路結構與設計根據(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）——交流調壓器、周波變換器；一個性能良好的變換裝置設計，大致應包括功能指標設計、電磁兼容設計、系統(tǒng)散熱設計和結構親和性設計等幾個方面。,電氣工程概論,18,控制與調節(jié) 電力電子的所有應用都包含有控制與調節(jié)問題。如：靜態(tài)電力變換與控制；靜態(tài)電力供應；運動控制等,計算機用于電力電子技術的控制與調節(jié),電氣工程概論,19,電力電子技術中的儲能元件電力電子技術中的儲能元件有磁性元件和電容器兩類。電力電子技術中的磁性材料的種

8、類越來越多，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偶的一種儲能和濾波元件。,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體器件的封裝技術包括材料、制造過程、散熱管理，以及與器件電氣特性有關的布局優(yōu)化問題。,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，就是一個大的電磁干擾源；電力電子技術中研究電磁干擾和電磁兼容是重要的內容之一。,電力電子設備在做電磁干擾試驗,電氣工程概論,22,電機控制電力拖動系統(tǒng)又稱為電力傳動系統(tǒng)或電機調速系統(tǒng)。電機調速傳動分為工藝調速傳動、節(jié)能調速傳動、牽引調速傳動和精密、特種調速傳動四大類。,交流電機及其矢量控制調速變頻器,電氣工程概論,23,電力穩(wěn)定與電能質量控制電能質量包括幾個方面內容：電壓質量、電流質

10、量、供電質量、用電質量。FACTS裝置：靜止無功補償器（SVC）、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器（TSSC）、可控串聯(lián)補償電容器（TCSC）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等。定制電力技術：APF、DVR、SVC、SSCB等,采用SVC、DVR和APF的電能質量控制示意圖,電氣工程概論,24,4.5 電力電子技術的主要應用領域,電力電子技術的主要應用領域：電源設計中的電力電子技術；電機傳動中的電力電子技術；電力系統(tǒng)中的電力電子技術

11、；汽車工業(yè)中的電力電子技術；綠色照明中的電力電子技術；新能源開發(fā)中的電力電子技術；,電氣工程概論,25,4.6 電力電子技術的發(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用范圍,電氣工程概論,26,4.7 電力傳動概況,,電機是電氣技術所涉及的重要對象之一。電能的生產(chǎn)是由發(fā)電機完成的；電動機則可拖動生產(chǎn)機械和各種負載運轉，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和家用電器及辦公設備的智能化。電動機分為直流電機和交流

12、電機兩種。在電機的發(fā)展史上，直流電機發(fā)明較早，它的電源是電池。后來才出現(xiàn)了交流電機。直流電動機具有調速范圍廣、易于平滑調速；起動、制動和過載轉矩大；易于控制，可靠性較高等優(yōu)點。但直流電機有一個突出的缺點——換流問題。它限制了直流電機的極限容量，又增加了維護的工作量。,電氣工程概論,27,,人們研究了交流電機的調速，并取得了良好的效果，使這在某些調速場合代替了直流電動機。除了普通的直流電機和交流電機外，還有各種微控電機。微控電機廣泛用

13、于各種家電、辦公設備和伺服控制系統(tǒng)中。微控電機的發(fā)展和應用，也是電機發(fā)展和應用的一個重要方面。電力拖動系統(tǒng)又稱為電力傳動系統(tǒng)或電機調速系統(tǒng)。電機調速傳動分為工藝調速傳動、節(jié)能調速傳動、牽引調速傳動和精密、特種調速傳動四大類。,電氣工程概論,28,,工藝調速傳動指生產(chǎn)工藝要求必須調速的傳動，主要用于軋機、造紙、化工等場合。節(jié)能調速傳動是指一般采用風機、泵、壓縮機等調節(jié)流量和壓力的場合。電力牽引調速傳動則指用地電氣鐵道、地鐵，各種電動

14、車，工礦牽引、礦井卷揚及電梯等場合實現(xiàn)運輸、牽引的傳動。精密、特種調速傳動是指用于現(xiàn)代數(shù)控機床、機器人、雷達等場合對伺服、運動控制要求特別高的傳動。,電氣工程概論,29,,正是因為電力傳動系統(tǒng)具有如此廣泛的應用背景，再加上電力電子技術的飛速發(fā)民，近十年來全球工業(yè)應用的電機調速裝置增長了25%，遠遠超過了前30年的增長率。隨著微電子技術和自動控制技術的發(fā)展，使全數(shù)字微機控制的電力拖動系統(tǒng)得以問世并迅速發(fā)展起來。微機控制技術在電力拖動系

15、統(tǒng)中的應用給這一領域注入了新的活力，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 電力傳動概述,電機工作時，根據(jù)其控制的對象不同，有的需要在一定寬范圍內調速，有的需要一定負載變化范圍內穩(wěn)速，有的需要以一定的要求加速和減速等?？傊姍C傳動需要滿足控制對象機械運動的出力和速度要求。電力傳動就是利用電力電子變流裝置對電機的轉矩和轉速兩個主要參數(shù)進行調節(jié)控制，以滿足控制對象負載的特性要求。,電氣工程概論,31,典型的電力傳動

16、系統(tǒng)框圖,電氣工程概論,32,4.7.2 直流電機傳動,直流電機，既可作發(fā)電機用，又可作電動機用。通以直流電而產(chǎn)生轉動機械能的運行方式為直流電動機工作方式；施加轉動機械能而發(fā)出直流電的運行方式為直流發(fā)電機工作方式。直流電機傳動主要是電動機運行方式，即通以直流電，使電機按照要求輸出轉矩和轉速。直流電機傳動在制動時，電機可以是發(fā)電機運行方式，發(fā)出直流電，把旋轉機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