第四章 電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng).ppt

1、電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,1,第四章 電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng),電力電子技術(shù)的作用 電力電子技術(shù)的特點(diǎn) 電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容 電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 電力電子技術(shù)的發(fā)展方向 電力傳動(dòng)概況,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,2,電力電子技術(shù)的作用,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,3,交流電源 （交流發(fā)電機(jī)）,直流電源（太陽(yáng)能電池等）,交流/直流,直流/交流,直流輸電,直流/交流,電力系統(tǒng),一般工業(yè)系統(tǒng)（鋼鐵等）,交通運(yùn)輸 （電氣化鐵道、電動(dòng)汽車）,家用電器產(chǎn)品 （逆變器空調(diào)等）,其它（如UPS),電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,4,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,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

2、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 conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form. 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(jì)算機(jī)為工具、以電子開(kāi)關(guān)器件為執(zhí)

3、行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效變換。,更普遍的定義：電力電子學(xué)是一門利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。電力電子技術(shù)的根本特性節(jié)約能源。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,5,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,傳統(tǒng)電力技術(shù)如何將交流電變?yōu)橹绷麟姡?基本原理 缺點(diǎn),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,6,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）例1,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,7,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）例2,如何用電力電子開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電能的變換？,DC/DC直流降壓電路,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,8,方案一: 電阻降壓,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,9,方案二: 串聯(lián)晶體管,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,10,方案三:串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗 串聯(lián)LC, 濾出諧波, 濾波器的截止頻

4、率開(kāi)關(guān)頻率,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,11,方案三: 串聯(lián)單刀雙擲開(kāi)關(guān),理想開(kāi)關(guān),無(wú)損耗,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,12,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,電力電子技術(shù)的基本工作框圖：,IEEE Transaction ON Industrial Electronics IEEE Transaction ON Power Electronics IET Transaction ON Power Electronics 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 電工技術(shù)學(xué)報(bào),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,13,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,14,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,容量為12kV/1.5kA的晶閘管,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,15,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,電力電子可

5、控開(kāi)關(guān)元件,電源可分為兩類： 直流電（D.C） ，頻率f=0 交流電（A.C） ，頻率f0 電力變換按電壓(電流)的大小、波形及頻率變換劃分為四類基本變換及相應(yīng)的四種電力變換電路或電力變換器。 這四類基本變換可以組合成許多復(fù)合型電力變換器,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,16,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,電力電子變換技術(shù),Converter,Inverter,主要發(fā)展發(fā)展方向,高頻化； 控制數(shù)字化； 大容量化,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,17,高頻 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 新的控制策略 磁集成,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,18,DC-DC DC-AC 交流調(diào)速：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制 能量管理,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,19,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,21

6、,無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制(VAR Compensate and Harmonic Control)對(duì)電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器（Thysistor Controlled ReactorTCR）、晶閘管投切電容器（ Thysistor Controlled CapacitorTSC）都是重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置。近年來(lái)出現(xiàn)的靜止無(wú)功發(fā)生器（Static VAR GeneratorSVG）、有源電力濾波器（Active Power FilterAPF）等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償（VAR and Harmonic Compensate）的性能。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可

7、用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量,電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。毫不夸張地說(shuō)，離開(kāi)電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,22,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,安裝在挪威的160Mvar、42kV的無(wú)功發(fā)生器,軟開(kāi)關(guān)技術(shù),電力電子裝置高頻化 濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。 開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。 進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,23,硬開(kāi)關(guān)：,硬開(kāi)關(guān)：,1.開(kāi)關(guān)損耗大。開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行；關(guān)斷時(shí)，電壓

8、上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)損耗，該損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而急速增加。 2. 當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電路的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓，開(kāi)關(guān)頻率愈高，關(guān)斷愈快，該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開(kāi)關(guān)器件兩端，易造成器件擊穿。 3. 當(dāng)開(kāi)關(guān)器件在很高的電壓下開(kāi)通時(shí)，儲(chǔ)存在開(kāi)關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高，開(kāi)通電流尖峰愈大，從而引起器件過(guò)熱損壞。4.電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高，電路中的di/dt和dv/dt增大，從而導(dǎo)致電磁干擾（EMI）增大，影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,25,軟開(kāi)關(guān)：,軟開(kāi)關(guān),和硬開(kāi)關(guān)工作不同，理想的軟關(guān)斷過(guò)程是電流先降到零

9、，電壓在緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已下降到零，解決了感性關(guān)斷問(wèn)題。理想的軟開(kāi)通過(guò)程是電壓先降到零，電流在緩慢上升到通態(tài)值，所以開(kāi)通損耗近似為零，器件結(jié)電容的電壓亦為零，解決了容性開(kāi)通問(wèn)題。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,27,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,28,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)）以及專門技術(shù)（電磁測(cè)量

10、、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)。,1974年，美國(guó)的W. Newell用倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,29,電力電子技術(shù)的特點(diǎn)（續(xù)）,與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系,都分為器件和應(yīng)用兩大分支 器件的材料、工藝基本相同，都采用微電子技術(shù) 應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法也基本相同 二者同根同源,信息電子電路的器件可工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件一般只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 二者的應(yīng)用目的不同,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,30,與電力學(xué)的關(guān)系,電力電子技術(shù)廣泛用于電力工程中 高壓直流輸電靜止無(wú)功補(bǔ)償 電力

11、機(jī)車牽引交直流電力傳動(dòng) 電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源,電力電子技術(shù)的特點(diǎn)（續(xù)）,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,31,與控制理論（自動(dòng)化技術(shù)）的關(guān)系,控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中 電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電的接口，而控制理論是這種接口的有力紐帶 電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù),電力電子技術(shù)的特點(diǎn)（續(xù)）,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,32,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。,不控和半控器件電流全控器件電壓

12、全控器件功率集成電路 器件的體積減小了3到4個(gè)數(shù)量級(jí)； 大功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間從毫秒級(jí)降到了微秒級(jí)；低功率時(shí)甚至達(dá)到了納秒級(jí)； 工作頻率從50Hz增加到兆赫級(jí)；,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,33,電力半導(dǎo)體器件電力電子技術(shù)的核心,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,34,發(fā)射極關(guān)斷晶閘管,電力電子器件的發(fā)展歷史,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,35,電力電子器件新的發(fā)展趨勢(shì) 基于Si的器件已經(jīng)趨于材料特性的極限,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,36,電力電子器件的功率頻率乘積 (fP)：109 - 1010 WHz,新的器件結(jié)構(gòu) 新的器件材料,發(fā)展趨勢(shì),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,37,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件有：二極管（Diode）、

13、 晶閘管（Thyrisor）、 GTO（Gate Turn Off Thyrisor ）、 VDMOS( Vertical Double Diffusion Mosfet )、 BJT( Bipolar Junction Transistor )、 IGBT( Insulated-Gate Bipolar Transitor )、IGCT( Insulated-Gate Commutated Thyrisor )等。,二極管及其符號(hào),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,38,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,晶閘管及其符號(hào),雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的晶閘管，而且僅需一個(gè)

14、觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開(kāi)關(guān)器件。其英文名稱Triac即三端雙向交流開(kāi)關(guān)之意。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,39,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,GTO及其符號(hào) GTO門極可關(guān)斷晶閘管,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,40,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,VDMOS及其符號(hào) VDMOS垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,41,CoolMosTM (Infineon) 采用Super-Junction概念 減小導(dǎo)通電阻 降低門極電荷,It is a new revolutionary technology for power MOSFETs. It implements a compensation st

15、ructure in the vertical drift region of a MOSFET in order to improve the on-state resistance.,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,42,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,BJT及其符號(hào) BJT雙極晶體管,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,44,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,IGBT及其符號(hào) IGBT絕緣柵雙極晶體管,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,45,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,46,IGBT電壓電流耐量趨勢(shì)圖,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,47,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,IGCT及其符號(hào) IGCT集成門極換向晶閘管,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,48,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,49,電

16、力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,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/AC）交流調(diào)壓器、周波變換器；,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,50,電力電子技術(shù)的作用（續(xù)）,AC/DC基本整流電路,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,51,DC/AC基本逆變電路,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,52,AC/AC直接變頻、變壓電路,開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的基本特性,開(kāi)關(guān)型電力電子變換器的核心部分是一組開(kāi)關(guān)電路 輸出、輸入端附加、濾波器，可以改善輸出電壓和輸入電流波形 電力電子變換

17、電路中的電壓、電流周期性時(shí)間函數(shù) v(t)=v(t+T)、i(t)=i(t+T)往往具有對(duì)稱性 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。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,53,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,54,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,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)電能變換與控制； 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),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,55,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,57,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,58,dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系

18、統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的完全無(wú)縫連接。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,59,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,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,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,60,電力電子技術(shù)現(xiàn)狀 基于分離元件基礎(chǔ)上，自動(dòng)化程度低

19、按照用戶和用途要求進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng) 大量采用非標(biāo)元件，成本高 成本高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，自動(dòng)化程度低（勞動(dòng)密集） 可靠性差，功率密度低 限制電力電子技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的推廣,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,61,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,電子電路的封裝與制造,外部對(duì)電力電子技術(shù)的需求 降低成本 改善性能 提高功率密度 提高可靠性 提高可制造性，提高自動(dòng)化程度 電力電子系統(tǒng)集成技術(shù) 本世紀(jì)電力電子技術(shù)方向性發(fā)展趨勢(shì),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,62,電力電子系統(tǒng)集成概念,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,63,摩爾定律（Moores Law） 標(biāo)準(zhǔn)化 (standardization) 模塊化 (Modularization) 集成

20、化 (Integration) 可制造性 (Manufacturability) 大量生產(chǎn) (Volume Production) 降低成本 (Cost Reduction),功率處理 標(biāo)準(zhǔn)模塊,信號(hào)處理,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,64,信號(hào)處理,功率處理,輸入能量,輸出能量,電力電子系統(tǒng)集成：類似于微電子的大規(guī)模集成電路 (VLSI) 和機(jī)械制造領(lǐng)域的 SIMS 系統(tǒng)集成，對(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。 兩個(gè)層次的集成： 模塊級(jí)： 建立電力電子集成標(biāo)準(zhǔn)模塊 系統(tǒng)級(jí)： 基于標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)系統(tǒng)集成理論，集成實(shí)際電力電子應(yīng)用系統(tǒng),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,65,電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,66,技術(shù)要

21、點(diǎn)： 拓?fù)鋬?yōu)選，無(wú)源器件集成技術(shù)，封裝技術(shù)，控制技術(shù)，熱設(shè)計(jì)，電磁兼容，標(biāo)準(zhǔn)化接口等。,電力電子智能標(biāo)準(zhǔn)模塊示意圖,采用多芯片封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能標(biāo)準(zhǔn)模塊示意圖,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,67,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,智能化的IGBT模塊封裝,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,68,IPM,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,69,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,70,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,72,電力電子應(yīng)用系統(tǒng)集成,基于電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊的應(yīng)用系統(tǒng)集成模型,電力電子應(yīng)用系統(tǒng)示意圖,技術(shù)要點(diǎn)：系統(tǒng)集成理論（串聯(lián)、并聯(lián)技術(shù)，系統(tǒng)建模和仿真，EMC設(shè)計(jì)）,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,73,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,電磁干擾和電磁兼容 電力電子技術(shù)是以du/dt和

22、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),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,74,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,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,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,75,電力電子技術(shù)的研究?jī)?nèi)容（續(xù)）,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)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（

23、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等,采用SVC、DVR和APF的電能質(zhì)量控制示意圖,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,80,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)； 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)；,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,81,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,電機(jī)一般分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩種。 電力傳動(dòng)就是利用電力電子變

24、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)象的 特性要求。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,82,電力傳動(dòng)概況,圖4-28 典型的電力電子傳動(dòng)系統(tǒng)框圖,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,83,電力傳動(dòng)概況（續(xù)）,1、直流電機(jī)傳動(dòng),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,84,電力傳動(dòng)概況（續(xù)）,調(diào)壓 AC/DC整流： 二極管全波整流橋 相控整流橋 PWM整流橋,圖4-29 三種整流方式輸出電壓波形,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,85,電力傳動(dòng)概況（續(xù)）,DC/DC整流：,圖4-30 地鐵列車DC/DC直流斬波器 （a）DC/DC 斬波調(diào)壓 （b）Ua波形,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,86,2、交流電機(jī)傳動(dòng),圖4-31 DC/AC逆變器驅(qū)動(dòng)交流電

25、機(jī),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,87,單相逆變器,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,88,三相逆變器,圖4-33 三相逆變工作原理圖,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,89,脈寬調(diào)制技術(shù),PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值） 直流斬波電路采用 斬控式交流調(diào)壓電路，矩陣式變頻電路,90,PWM 控制的基本思想,重要理論基礎(chǔ) 面積等效原理,采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。,（B）,91,PWM 控制的基本思想,若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可

26、。,如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波,SPWM 波,（C）,t,t,t,直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì) 直流電機(jī)的磁通由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，可以在電樞合上電源以前建立起來(lái)而不參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程（弱磁調(diào)速時(shí)除外），因此它的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型只是一個(gè)單輸入和單輸出系統(tǒng)。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,92,交流電機(jī)的矢量控制,二極直流電機(jī)的物理模型,d,q,F,A,C,if,ia,ic,勵(lì)磁繞組,電樞繞組,補(bǔ)償繞組,交流電機(jī)是多變量、強(qiáng)耦合的模型結(jié)構(gòu),由于這些原因，異步電機(jī)是一個(gè)多變量（多輸入多輸出）系統(tǒng)，而電壓（電流）、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響，所以是強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，可以先用右圖來(lái)定性地表示。,電氣

27、工程專業(yè)導(dǎo)論,94,異步電機(jī)的多變量、強(qiáng)耦合模型結(jié)構(gòu),交流電機(jī)繞組的等效物理模型,a）三相交流繞組,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,96,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,97,基本思想,ABC坐標(biāo)系, 坐標(biāo)系,dq坐標(biāo)系,3/2變換,C2s/2r,以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、 iB 、iC ，通過(guò)三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 i、i ，再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流 im 和 it 。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,98,如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺(tái)直流電機(jī)，可以控制使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通 r 就是等效直流電機(jī)的磁通，則

28、M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，im 相當(dāng)于勵(lì)磁電流，T 繞組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組，it 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。,旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機(jī)模型,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,101,異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 3/2三相/兩相變換; VR同步旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角,3/2,VR,等效直流 電動(dòng)機(jī)模型,A,B,C,iA,iB,iC,it,im,i,i,異步電動(dòng)機(jī),異步電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,102,既然異步電機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。 由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代

29、表磁動(dòng)勢(shì)）的空間矢量，所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System），控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,103,矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,104,在設(shè)計(jì)矢量控制系統(tǒng)時(shí)，可以認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機(jī)內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，則上圖中虛線框內(nèi)的部分可以完全刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了。,設(shè)計(jì)控制器時(shí)省略后的部分,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,105,可以想象，這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜

30、、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,106,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,107,3、特殊電機(jī)傳動(dòng),永磁無(wú)刷直流電機(jī)（PMBLDCM）,圖4-36 結(jié)構(gòu)及定子三相繞組波形,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,108,三相永磁同步電機(jī)（PMSM）,圖4-37 結(jié)構(gòu)及定子繞組波形,PMBLDCM 與PMSM的區(qū)別： （1）正反直流電 VS 正弦交流電 （2）轉(zhuǎn)子位置分次檢測(cè) VS 連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,109,同步磁阻電機(jī)（Syncrel）,圖4-38 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)與控制,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) (SRM),磁阻：解決永磁體的失磁問(wèn)題 同步磁阻電機(jī)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)區(qū)別： 定轉(zhuǎn)子之間氣隙磁場(chǎng)正弦分布

31、VS 非正弦分布,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,110,謝謝大家！,Thats all,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,111,4.1 Role of Power Electronics 4.2 Features of Power Electronics 4.3 Research Topics on Power Electronics 4.4 Main Applications of Power Electronics 4.5 Development Trends of Power Electronics 4.6 General introduction to Electric Drives,Chapter 4 Pow

32、er Electronics and Electric Drives,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,112,There is nearly 40% of the power converted by power electronic converters, while electric power accounts for about 40% in world energy use. Power electronics defined by IEEE as follows: Power electronics (PE) is the technology associated with the effic

33、ient conversion, control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form. In a word，its a technology that convert a raw form of power source to a desired form by using electronic device as the switch, that is, power conversion.

34、 Combination of electronics, power, and control, the power electronics deals with efficient power conversion based on control theory, computer tools, and electronic switches.,4.1 Role of Power Electronics,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,113,Basic Block Diagram of Power Electronic circuit：,power in,power out,control,Load,c

35、onverter,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,114,12kV/1.5kA, thyristor,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,115,Controlled power switches,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,116,160Mvar/42kV Static Var Generator, Norway,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,117,4.2 Features of Power Electronics,Interstitial to three areas of electrical engineering (Power, Electronics, Control) is power electronics, a novel i

36、nterdisciplinary. Features: 1. Power controlled by electronic technology; widely including basic theory, professional theory and technology, such as: solid state physics, electromagnetism, circuit; power systems, electronics, heat transfer control systems, motor 3. interdisciplinary synthesis.,電氣工程專

37、業(yè)導(dǎo)論,118,4.3 Research Topics on Power Electronics,Power semiconductor devices Converter topology design Control and regulation Energy storage devices Circuits packing and manufacturing Electromagnetic Interference and Compatibility ( EMI, EMC ) Motor drive Power quality,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,119,Diode, Thyristor,

38、 GTO, VDMOS, BJT, IGBT, IGCT and their circuit symbols.,Diode,1. Power semiconductor devices (the core of power electronics),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,120,Thyristor,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,121,GTO (gate-turn-off thyristor),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,122,VDMOS (Vertical Double-diffused MOSFET ),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,123,BJT (Power Bipolar Junction Transistor) Al

39、so called GTR (Giant Transistor),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,124,IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,125,IGCT (Intergrated Gate Commutated Thyristor),電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,126,Four types of converters categorized by power conversion forms： AC/DC converterRectifier； DC/DC converterDC chopper； DC/AC converterInverter；

40、AC/AC converterPower controller, Cycloconverter； A good design of the converter includes several aspects such as: Function Factor, EMC, Heat Sink and Structure Compatibility.,2. Converter topology design,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,127,Computer control and regulation,3. Control and Regulation,All power electronic appl

41、ications contain control and regulation: Static power conversion and control; Static power supply; Motion control, etc.,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,128,4. Energy storage component in power electronics Including: magnetic element and capacitor. There are more kinds of magnetic materials in power electronic technology,

42、such as soft magnetic alloy (Fe-Ni alloy, Fe-Al alloy, and Fe-Co-V alloy, etc), ferrite (Mn-Zn ferrite, Mg-Zn ferrite, etc), new amorphous and microcrystalline soft magnetic material (Fe-based amorphous, Co-based amorphous, etc). Capacitor is a energy storage and filter component paired with magneti

43、c component.,Planar transformer in PCB,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,129,5. Packaging and manufacturing of electronic circuit The packaging technique in power semiconductor devices includes material, manufacturing process, radiating management, and layout optimization problem corresponding with electrical characteristic

44、s of devices.,Intelligent IGBT module packaging,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,130,6. EMI and EMC Power electronics technology operates in du/dt and di/dt. Obviously it is a big EMI source when the power electronics system is working; EMI and EMC are important research content in power electronics technology.,The power e

45、lectronics equipment is in EMI experiment.,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,131,7. Motor control Electric drive system can also be called as power drive system and motor speed control system. Including: speed control drive for process, speed control drive for energy saving, traction speed control drive and accurate, specia

46、l speed control drive.,AC motor and vector control speed regulation frequency inverter,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,132,8. Power stability and power quality control Includes: voltage quality, current quality, power supply quality and power consumption quality. FACTS device: static var compensator (SVC), thyristor-contr

47、olled series switched capacitor (TSSC), thyristor-controlled series capacitor, unified power flow controller (UPFC), etc. Customer power technology: APF, DVR, SVC, SSCB, etc.,Power quality control diagram using SVC, DVR, and APF.,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,133,Main application areas: Source design; Motor drive; Power

48、 system; Automobile industry; Green lighting; New energy exploitation.,4.4 Main Applications of Power Electronics Technology,電氣工程專業(yè)導(dǎo)論,134,Integration Modulation Intellectualization High frequency Constant improvement of device efficiency Continuously extended voltage application range,4.5 Development Trend of Power Electronics Technology,DC motor and AC motor Regulati