電氣工程概論+第四章+電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)

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24.1電力電子技術(shù)的作用與發(fā)展簡史電氣工程概論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：

Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform.

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(jì)算機(jī)為工具、以電子開關(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電力電子可控開關(guān)元件電氣工程概論7安裝在挪威的±160Mvar、42kV的無功發(fā)生器電力電子技術(shù)發(fā)展簡史電氣工程概論8電氣工程概論9汞弧整流管硒整流器（硒堆）老式整流器電氣工程概論104.2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、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114.3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(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。電氣工程概論12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、IGCT等。二極管及其符號(hào)電氣工程概論13晶閘管及其符號(hào)電氣工程概論14GTO及其符號(hào)GTO—門極可關(guān)斷晶閘管電氣工程概論15VDMOS及其符號(hào)VDMOS—垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物場效應(yīng)管電氣工程概論16abBJT及其符號(hào)BJT—雙極晶體管電氣工程概論17IGBT及其符號(hào)IGBT—絕緣柵雙極晶體管電氣工程概論18IGCT及其符號(hào)IGCT—集成門極換向晶閘管電氣工程概論19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；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。輸入輸出最簡單的半波整流電路電氣工程概論20電氣工程概論VVItE1234最簡單的單相逆變器原理基波（正弦交流）直流電源單相PWM逆變電路電氣工程概論22電氣工程概論23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(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24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超級(jí)電容器超級(jí)電容器又叫雙電層電容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)是一種新型儲(chǔ)能裝置，它具有充電時(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。電氣工程概論25電氣工程概論26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模塊封裝電氣工程概論27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(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28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29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304.5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)；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)；電氣工程概論314.6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324.7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33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34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)車，工礦牽引、礦井卷揚(yáng)及電梯等場合實(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35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，近十年來全球工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)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(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)得以問世并迅速發(fā)展起來。微機(jī)控制技術(shù)在電力拖動(dòng)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。電氣工程概論364.7.1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37典型的電力傳動(dòng)系統(tǒng)框圖

電氣工程概論384.7.2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39DC-DC直流斬波主電路

(a)(b)電氣工程概論404.7.3交流電機(jī)傳動(dòng)目前交流電機(jī)最為普遍的調(diào)速方法，無論是同步電機(jī)還是異步電機(jī)，都是通過調(diào)節(jié)定子電壓(電流)的頻率fs來實(shí)現(xiàn)。電氣工程概論414.7.4特殊電機(jī)傳動(dòng)4.7.5脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)電機(jī)傳動(dòng)的影響在直流電壓源供電的直流傳動(dòng)中，通過PWM技術(shù)獲得可變的直流電壓幅值；在直流電壓源供電的交流傳動(dòng)中，通過PWM技術(shù)獲得可變的交流電壓幅值、頻率和相位。PWM電壓中除了要求的直流電壓或交流正弦基波電壓以外還含有豐富的諧波，電壓的變化率即dv/dt很大。電壓型逆變器給電機(jī)供電還存在電機(jī)中性點(diǎn)產(chǎn)生共模電壓,在電機(jī)軸承上產(chǎn)生電暈放電，腐蝕軸承。電氣工程概論42

4.7.6電力傳動(dòng)主要應(yīng)用領(lǐng)域

信息家電和IT業(yè)。機(jī)械加工設(shè)備。起重機(jī)與輸送機(jī)。風(fēng)機(jī)與水泵。電梯。礦山機(jī)械。冶金機(jī)械。船舶。軌道交通。電氣工程概論43思考題4-1為什么說晶閘管的誕生開啟了電力電子技術(shù)的新紀(jì)元？4-2電力電子技術(shù)與