電力電子技術(shù)與電力傳動.ppt

1、1,電力電子技術(shù)與電力傳動,2,1. 電力電子技術(shù)的作用,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 conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output f

2、orm. 簡單地說，電力電子技術(shù)就是以電子器件為開關(guān)，把能得到的電源變換為所需要的電源的一門科學(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)合的一門技術(shù)，以控制理論為基礎(chǔ)、以微電子器件或計算機為工具、以電子開關(guān)器件為執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)對電能的有效變換。,4,電力電子技術(shù)的基本工作框圖：,5,容量為12kV/1.5kA的晶閘管,6,電力電子可控開關(guān)元件,7,安裝在挪威的160Mvar、42kV的無功發(fā)生器,8,2. 電力電子技術(shù)的特點,它是從電氣工程中3大學(xué)科領(lǐng)域（電力、控制、電子）發(fā)展起來的一門新型交叉學(xué)科。 電力電子技術(shù)特點： 弱電控制強電的學(xué)科交叉技術(shù)；所涉及的學(xué)科廣泛，包括

3、：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、電機學(xué)及電力傳動、通信理論、信號處理、微電子技術(shù)）以及專門技術(shù)（電磁測量、計算機仿真、CAD）等。,傳送能量的模擬-數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)； 多學(xué)科知識的綜合設(shè)計技術(shù)。,9,3. 電力電子技術(shù)的研究內(nèi)容,電力電子技術(shù)的研究內(nèi)容： 電力半導(dǎo)體器件； 變換器電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計； 控制與調(diào)節(jié)； 電力電子技術(shù)中的儲能元件； 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(zhì)量控制。,10,3.1 電力半導(dǎo)體器件電力電子技術(shù)的核心 常見的功率半導(dǎo)體器件有：二極管、晶閘管、GTO、VDMOS、BJT、IGBT、

4、IGCT等。,二極管及其符號,11,晶閘管及其符號,12,GTO及其符號 GTO門極可關(guān)斷晶閘管,13,VDMOS及其符號 VDMOS垂直雙擴散金屬氧化物場效應(yīng)管,14,BJT及其符號 BJT雙極晶體管,15,IGBT及其符號 IGBT絕緣柵雙極晶體管,16,IGCT及其符號 IGCT集成門極換向晶閘管,17,3.2 變換器電路結(jié)構(gòu)與設(shè)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/AC）交流調(diào)壓器、周波變換器； 一個性能良好的變換裝置設(shè)計，大致應(yīng)

5、包括功能指標(biāo)設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、系統(tǒng)散熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)親和性設(shè)計等幾個方面。,18,3.3 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)問題。如： 靜態(tài)電力變換與控制； 靜態(tài)電力供應(yīng)； 運動控制等,計算機用于電力電子技術(shù)的控制與調(diào)節(jié),19,3.4 電力電子技術(shù)中的儲能元件 電力電子技術(shù)中的儲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,20,3.5 電子電路的封裝與制造

6、 電力半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)包括材料、制造過程、散熱管理，以及與器件電氣特性有關(guān)的布局優(yōu)化問題。,智能化的IGBT模塊封裝,21,3.6 電磁干擾和電磁兼容 電力電子技術(shù)是以du/dt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(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,22,3.7 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(diào)速系統(tǒng)。電機調(diào)速傳動分為工藝調(diào)速傳動、節(jié)能調(diào)速傳動、牽引調(diào)速傳動和精密、特種調(diào)速傳動四大類。,交流電機及其矢量控制調(diào)速變頻器,23,3.8 電力穩(wěn)定與電能質(zhì)量控制 電能質(zhì)量包括幾個方面內(nèi)容：電壓質(zhì)量

7、、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量、用電質(zhì)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(shù)：APF、DVR、SVC、SSCB等,采用SVC、DVR和APF的電能質(zhì)量控制示意圖,24,4. 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)計中的電力電子技術(shù)； 電機傳動中的電力電子技術(shù)； 電力系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)； 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)； 新能源開發(fā)中的電力電子技術(shù)；,25,5. 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

8、率 不斷拓展電壓應(yīng)用范圍,26,6. 電力傳動概況,電機是電氣技術(shù)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(fù)載運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和家用電器及辦公設(shè)備的智能化。 電動機分為直流電機和交流電機兩種。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(diào)速范圍廣、易于平滑調(diào)速；起動、制動和過載轉(zhuǎn)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。,27,人們研究了交流電機的調(diào)速，并取得了良好的效果，使這在某些調(diào)速場合代替了直流電動機。 除了普通的直流

9、電機和交流電機外，還有各種微控電機。微控電機廣泛用于各種家電、辦公設(shè)備和伺服控制系統(tǒng)中。微控電機的發(fā)展和應(yīng)用，也是電機發(fā)展和應(yīng)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(diào)速系統(tǒng)。電機調(diào)速傳動分為工藝調(diào)速傳動、節(jié)能調(diào)速傳動、牽引調(diào)速傳動和精密、特種調(diào)速傳動四大類。,28,工藝調(diào)速傳動指生產(chǎn)工藝要求必須調(diào)速的傳動，主要用于軋機、造紙、化工等場合。 節(jié)能調(diào)速傳動是指一般采用風(fēng)機、泵、壓縮機等調(diào)節(jié)流量和壓力的場合。 電力牽引調(diào)速傳動則指用于電氣鐵道、地鐵，各種電動車，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(diào)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

10、動控制要求特別高的傳動。,29,正是因為電力傳動系統(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，近十年來全球工業(yè)應(yīng)用的電機調(diào)速裝置增長了25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了前30年的增長率。 隨著微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)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(shù)在電力拖動系統(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。,30,6.1 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(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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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩個主要參數(shù)進行調(diào)節(jié)控制，以滿足控制對象負(fù)載的特性要求。,31,典型的電力傳動系統(tǒng)框圖,32,6.2 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(zhuǎn)動機械能的運行方式為直流電動機工作方式；施加轉(zhuǎn)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