電氣工程概論第四章電力電子技術(shù)與電力傳動

第4章電力電子技術(shù)與電力傳動1電氣工程概論4.1電力電子技術(shù)的作用2電氣工程概論當今世界電力能源的運用約占總能源的40%。而電能中有40%需求經(jīng)過電力電子設(shè)備的變換才干被運用。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求的電源的一門科學運用技術(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)，以控制實際為根底、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。3電氣工程概論電力電子技術(shù)的根本任務(wù)框圖：4電氣工程概論容量為12kV/1.5kA的晶閘管5電氣工程概論電力電子可控開關(guān)元件6電氣工程概論安裝在挪威的±160Mvar、42kV的無功發(fā)生器7電氣工程概論4.2電力電子技術(shù)的特點它是從電氣工程中3大學科領(lǐng)域〔電力、控制、電子〕開展起來的一門新型交叉學科。電力電子技術(shù)特點：弱電控制強電的學科交叉技術(shù)；所涉及的學科廣泛，包括：根底實際〔固體物理、電磁學、電路實際〕、專業(yè)實際〔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、通訊實際、信號處置、微電子技術(shù)〕以及專門技術(shù)〔電磁丈量、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)；多學科知識的綜合設(shè)計技術(shù)。8電氣工程概論4.3電力電子技術(shù)的研討內(nèi)容電力電子技術(shù)的研討內(nèi)容：電力半導(dǎo)體器件；變換器電路構(gòu)造與設(shè)計；控制與調(diào)理；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。9電氣工程概論電力半導(dǎo)體器件—電力電子技術(shù)的中心常見的功率半導(dǎo)體器件有：二極管、晶閘管、GTO、VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等。二極管及其符號10電氣工程概論晶閘管及其符號11電氣工程概論GTO及其符號GTO—門極可關(guān)斷晶閘管12電氣工程概論VDMOS及其符號VDMOS—垂直雙分散金屬氧化物場效應(yīng)管13電氣工程概論abBJT及其符號BJT—雙極晶體管14電氣工程概論IGBT及其符號IGBT—絕緣柵雙極晶體管15電氣工程概論IGCT及其符號IGCT—集成門極換向晶閘管16電氣工程概論變換器電路構(gòu)造與設(shè)計根據(jù)電能變換的輸入輸出方式，可以分為四種方式：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安裝設(shè)計，大致應(yīng)包括功能目的設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、系統(tǒng)散熱設(shè)計和構(gòu)造親和性設(shè)計等幾個方面。輸入輸出17電氣工程概論控制與調(diào)理電力電子的一切運用都包含有控制與調(diào)理問題。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)理18電氣工程概論電力電子技術(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)中的磁性資料的種類越來越多，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資料〔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19電氣工程概論電子電路的封裝與制造電力半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)包括資料、制造過程、散熱管理，以及與器件電氣特性有關(guān)的規(guī)劃優(yōu)化問題。智能化的IGBT模塊封裝20電氣工程概論電磁干擾和電磁兼容電力電子技術(shù)是以du/dt和di/dt方式任務(wù)，顯然電力電子系統(tǒng)任務(wù)時，就是一個大的電磁干擾源；電力電子技術(shù)中研討電磁干擾和電磁兼容是重要的內(nèi)容之一。電力電子設(shè)備在做電磁干擾實驗21電氣工程概論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)速傳動和精細、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22電氣工程概論電力穩(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、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量、用電質(zhì)量。FACTS安裝：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〕、一致潮流控制器〔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)量控制表示圖23電氣工程概論4.5電力電子技術(shù)的主要運用領(lǐng)域電力電子技術(shù)的主要運用領(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)；24電氣工程概論4.6電力電子技術(shù)的開展方向集成化模塊化智能化高頻化不斷提高安裝效率不斷拓展電壓運用范圍25電氣工程概論4.7電力傳動概略電機是電氣技術(shù)所涉及的重要對象之一。電能的消費是由發(fā)電機完成的；電動機那么可拖動消費機械和各種負載運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)消費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。在電機的開展史上，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陷——換流問題。它限制了直流電機的極限容量，又添加了維護的任務(wù)量。26電氣工程概論人們研討了交流電機的調(diào)速，并獲得了良好的效果，使這在某些調(diào)速場所替代了直流電動機。除了普通的直流電機和交流電機外，還有各種微控電機。微控電機廣泛用于各種家電、辦公設(shè)備和伺服控制系統(tǒng)中。微控電機的開展和運用，也是電機開展和運用的一個重要方面。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)速傳動和精細、特種調(diào)速傳動四大類。27電氣工程概論工藝調(diào)速傳動指消費工藝要求必需調(diào)速的傳動，主要用于軋機、造紙、化工等場所。節(jié)能調(diào)速傳動是指普通采用風機、泵、緊縮機等調(diào)理流量和壓力的場所。電力牽引調(diào)速傳動那么指用地電氣鐵道、地鐵，各種電動車，工礦牽引、礦井卷揚及電梯等場所實現(xiàn)運輸、牽引的傳動。精細、特種調(diào)速傳動是指用于現(xiàn)代數(shù)控機床、機器人、雷達等場所對伺服、運動控制要求特別高的傳動。28電氣工程概論正是由于電力傳動系統(tǒng)具有如此廣泛的運用背景，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)運用的電機調(diào)速安裝增長了25%，遠遠超越了前30年的增長率。隨著微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的開展，使全數(shù)字微機控制的電力拖動系統(tǒng)得以問世并迅速開展起來。微機控制技術(shù)在電力拖動系統(tǒng)中的運用給這一領(lǐng)域注入了新的活力，使之呈現(xiàn)現(xiàn)出蓬勃開展的新景象。29電氣工程概論4.7.1電力傳動概述電機任務(wù)時，根據(jù)其控制的對象不同，有的需求在一定寬范圍內(nèi)調(diào)速，有的需求一定負載變化范圍內(nèi)穩(wěn)速，有的需求以一定的要求加速和減速等?？傊姍C傳動需求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安裝對電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩個主要參數(shù)進展調(diào)理控制，以滿足控制對象負載的特性要求。30電氣工程概論典型的電力傳動系統(tǒng)框圖31電氣工程概論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(zhuǎn)動機械能的運轉(zhuǎn)方式為直流電動機任務(wù)方式；施加轉(zhuǎn)動機械能而發(fā)出直流電的運轉(zhuǎn)方式為直流發(fā)電機任務(wù)方式。直流電機傳動主要是電動機運轉(zhuǎn)方式，即通以直流電，使電機按照要求輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。直流電機傳動在制動時，電機可