電力電子與電動機(jī)

目錄1電力電子學(xué)為什么很重要？

2電力電子學(xué)的應(yīng)用

3電力電子學(xué)與新能源應(yīng)用

4電力電子技術(shù)的演變

5電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展

6也力電,子變換器的發(fā)展

7傳動用電機(jī)的發(fā)展

1?3、（略）

4電力電子技術(shù)的演變

電力也子技術(shù)的發(fā)展階段：

汞弧變換器

充氣管電子技術(shù)

磁飽和放大器

?

電力半導(dǎo)體器件電子學(xué)

（現(xiàn)代新紀(jì)元）

功率半導(dǎo)體器件、、控制硬件和軟件

變換器拓?fù)?'預(yù)測與控制技術(shù)

分析與仿真技術(shù)

電力電子和電機(jī)傳動發(fā)展歷史上的若干重要事件

I1897年開發(fā)了三相二極管橋式整流器

I1901年petercooperhewitt演示了玻隔殼汞弧整流器

I1906年kramer傳動問世

I1907年scherbins傳動問世

I1926年熱陰極間流管問世

I1930年紐約地鐵安裝了用于直流傳動的3mw柵控汞弧整流器

I1931年德國鐵路上引入了汞弧周波變換器，用于電動機(jī)牽引傳動

I1934年充氣閘流管周波變換器一同步電動機(jī)（400馬力）安裝于洛根發(fā)包站，用于引風(fēng)機(jī)

傳動（第一次實(shí)現(xiàn)交流變頻傳動）

I1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管

I1956年硅功率二極管問世

I1958年商用半導(dǎo)體晶體閘流管（scr）由通用電氣公司引入市場

I1971年矢量控制（或磁場定向控制）問世

I1975年日本東芝公司籽大功率的bjt引入市場

I1978年ir公司將功率moseet引入市場

I1980年大功率的gto在日本問世

I1981年二極管箱位的多電平逆變器問世

I1983年igbt在通用電氣公司問世

I1983年空間（電壓）矢量pwm技術(shù)問世

I1986年直接轉(zhuǎn)知控制技術(shù)（dtc）問世

I1987年模糊邏輯首次應(yīng)用于電力電子

I1991年人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于直流電動機(jī)傳動

1996年abb公司將正向阻斷型igct引入市場

5電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展

I二極管（1955）

AHX-C

I晶間管（1958）

I雙向晶間管（triac）（1958）

I門極可關(guān)斷晶網(wǎng)管（gt。：）（1980）

I絕緣柵雙極晶體管(igbt)(1985)

I靜電感應(yīng)晶體管(sit)(1985)

I集成門極換流晶晶管(igct)(1996)

I碳化硅器件

器件功率一頻率趨勢如圖3所示。

108

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POWER

MOSFET-

TRIAC

104

SWITCHINGFREQUENCY(Hz)

igbt概述

I自1983年問世之后發(fā)展得非常快

I簡單的結(jié)構(gòu)一簡單的加工過程

I不對稱的和對稱的阻斷型器件均已問世

I可構(gòu)成靈巧功率集成電路（smartpower）

I市場化器件達(dá)3500v,1200a（6.5kv和10kv器件已在測試中）

I智能功率模塊達(dá)到120Cv,800a（供250馬力電動機(jī)用）

I具有方形安全工作區(qū)一無吸收緩沖器運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)和綠點(diǎn)

I具有溝槽柵的第四代igbt器件（通態(tài)壓降有可能降低一半）

I在大功率條件下，pwm開關(guān)頻率可達(dá)1khz

I在三電平逆變器中逆變器容量可達(dá)1mw或更高

iget概述

I1996年由abb公司引入的器件

I電流控制型器件（即硬驅(qū)動的gt。，關(guān)斷電流增益b=1）

I驅(qū)動器做在模塊上

I反并聯(lián)二極管做成一體式

I市場化器件達(dá)6500v,4000a（10kv器件在測試中）

I不對稱的和對稱的阻斷型器件均已問世

I有可能串一并寐運(yùn)行

I可帶或不帶緩沖器運(yùn)行

I在1khz頻率下通態(tài)壓降低于igbt

I對大功率應(yīng)用是非常有發(fā)展前景的器件

電力半導(dǎo)體器件的進(jìn)展和發(fā)展趨勢

I現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步主要地是跟隨著電力半導(dǎo)體器件的進(jìn)步，而它又是隨著微電子技

術(shù)的發(fā)展而進(jìn)化的

I相位控制類器件（晶間管、雙向晶間管）逐步過時(shí)

I絕緣柵控制類器件（igbt、功率mos場效應(yīng)管）占有越來越大的優(yōu)勢

I功率mos場效應(yīng)管將在低電壓高頻化場合保持廣泛的應(yīng)用

Igto將逐漸過時(shí)（較低的功率被igbt取代，較大的功率被igct取代）

I對較高電壓的mosfet和高電壓的igbt,導(dǎo)通壓降正日益降低

I碳化硅器件將給大功率電力電子技術(shù)帶來更新的面貌一更長期地則是金剛石器件

6電力電子變換器的發(fā)展

變換器分類

Iac一de:整流器

n二極管整流管

n晶間管相控整流器

npwm（電壓源或電,流源）整流器（硬開關(guān)或軟開關(guān)）

Ide-de：斬波器

npwm控制（升壓型、降壓型、升降壓型）

n帶諧振環(huán)節(jié)

n帶準(zhǔn)諧振環(huán)節(jié)

Ide—ac:逆變器

n晶間管相控逆變器

npwm（電壓源或包流源）逆變器（硬開關(guān)或軟開關(guān)）

Iac-ac:交流控制器（同須率）、周波變換器（變頻率）

n晶間管相控控制器（交流調(diào)壓、調(diào)溫、調(diào)光）

n有直流環(huán)節(jié)（電壓源或電流源）的變頻器（硬開關(guān)或軟開關(guān)）

n有高頻環(huán)節(jié)（電壓源或電流源）的變頻器

n矩陣式交一交變頻器

揄電線路電力品質(zhì)問題和諧波標(biāo)準(zhǔn)

I在公用電網(wǎng)中二極管和晶同管變換器會有很大增長

I包網(wǎng)電壓的諧波畸變

I電網(wǎng)功率因數(shù)差

I電磁干擾問題（emi）

I輸業(yè)線路和用電設(shè)備兩側(cè)產(chǎn)生負(fù)載諧波也流

I對通訊的干擾

I測量儀表誤差（非正弦、非線性）

I雜散參數(shù)引發(fā)的線路諧振

Iieee519標(biāo)準(zhǔn)一共輸入點(diǎn)的諧波畸變控制

IieeelOOO標(biāo)準(zhǔn)一各自設(shè)備的諧波畸變控制

交流傳動變頻調(diào)速系統(tǒng)

I交流傳動用電壓源逆變器系統(tǒng)的進(jìn)步與發(fā)展（圖4）

(b)Double-Sided2-levelPWMConverters

(c)Double-Sided3-levelPWMConverters

I交流傳動用電流源逆變器系統(tǒng)的進(jìn)步與發(fā)展（圖5）

(a)ThyristorRectifier-loadconnectedinverter

WFSM/IMdrive

ASCI

(b)Thyristorrectifier-auto-sequential

commutatedinverter

J

—i

.T

T

J_i

-T—

L丁

(c)Double-SidedPWMConverters

用于電網(wǎng)補(bǔ)峰調(diào)節(jié)的蓄電也儲能18級gt。變換器（圖6）

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BATTERY

VOLTAGE

o----------------

GAPGBPGCPTilGAPGBPGCP

LA

士CDLBRB

TI3

LC

GANGBNGCN

20°(LEADINGINV)(RETARDEDINV)

GAP

LA

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GBN

4。。(LEADINGINV)(RETARDEDtNV)

10mw容量鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)被ge公司安裝在南加利福尼愛辿生電網(wǎng)中（1988）

在非峰時(shí)間里儲能而在需要峰值功率時(shí)發(fā)出電能

還可以作靜止無功補(bǔ)償器在電網(wǎng)上運(yùn)行

能夠控制電網(wǎng)電壓和頻率

能夠改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性

通過h橋來控制三相6Chz電壓幅值和相位角

三相h橋相移耦合、電壓提升與絕緣隔離可以通過60hz變壓器完成

I在60hz運(yùn)行時(shí)gt。開關(guān)頻率低

I變換器效率高（97%）

300mw雙邊（50hz/60hz）背靠背電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的gt。變換器系統(tǒng)（圖7）

（S）~?

8

0,50HzSystem

275kV

66kV500kV

66kV/53MVA10.6kV53MVA275kV/

4.6kV4.3kV

人

16mFOPP

人阻罔人

國人

人羽

xfe

53MVA

66kv/4.6kV

UI

人U2

4GTOsJU3

人招IU4

人組―一N

人卑一WV

6kV-6kA

GTO275kV

60HzSystem

?—1T0—1

I三端高壓直流(hvdc)輸電的背靠背聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

I將兩個(gè)66千伏、50赫茲的終端和一個(gè)275千伏、60赫茲的終端相連接

I每一個(gè)變換器都發(fā)出9脈波正弦同步pwm波

I近于正弦的電網(wǎng)電流可以提供單位功率因數(shù)、超前或者滯后功率因數(shù)用于系統(tǒng)的無功控制

I4個(gè)gto(6000v,6000a)串聯(lián)，帶有再生反饋吸收緩沖器，以提高變換器的效率

Igto可以用iget代替。

I為了避免器件的串聯(lián)帶來的動態(tài)均壓等問題，可以采用多電平pwm調(diào)制或階梯波變換器

用于也氣化鐵路的48mva靜止無功功率發(fā)生器(圖8)

Transmission

Une

I1995年富士公司為日本新干線鐵路系統(tǒng)裝備了電壓源型、移相控制的多階梯波無功補(bǔ)償

裝置。

I可以調(diào)整交流母線電壓在±2%之間，并可補(bǔ)償由于單相負(fù)載運(yùn)行造成的線電壓不平街

I可提供從20mva的滯后無功到48mva的超前無功容量

I36脈波的階梯波輸出，其幅值和相位均可控

I每個(gè)h橋臂上都只用單個(gè)逆導(dǎo)型gto(4500v,3000a)

帶有二極管充電器的變壓器可對電容器預(yù)充電，使其直流電壓調(diào)整在±10%用

I有14mva容量的網(wǎng)側(cè)容性諧波濾波器

I高效率(可達(dá)97%)

電力電子變換器的進(jìn)展和發(fā)展趨勢

I電力品質(zhì)和滯后功率因數(shù)問題使相控型變換器逐步過時(shí)而淘汰，并推進(jìn)了脈寬調(diào)制(pwm)

型變換器的應(yīng)用

I綜合考慮整體優(yōu)缺點(diǎn)指標(biāo)，電壓源型變換器優(yōu)于電流源型變換器

I雙向能量流動的雙側(cè)電壓源gto/igbt/igct三也平pwm變換器正在替代大功率相控型變換

器和交一交周波變換器

I多電平多階梯變換器將廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中

I空間電壓矢量pwm控制方案將被廣泛接受

I用于電機(jī)傳動的軟開關(guān)變換器還沒有顯示出任何應(yīng)用前景

I電力電子變換技術(shù)已經(jīng)接近于達(dá)到飽和成熟的程度

I未來的重點(diǎn)將是在集成化封裝和設(shè)計(jì)自動化方面

7傳動用電機(jī)的發(fā)展

傳動用電機(jī)分類

(1)直流電機(jī):他勵式、并勵式、串勵式、復(fù)勵式。

(2)交流電機(jī)

(a)感應(yīng)電機(jī)：(旋轉(zhuǎn)式或直線式)鼠籠式

繞線轉(zhuǎn)子式或雙饋式

(b)同步電機(jī)：(旋轉(zhuǎn)式或直線式)繞線磁極式(wfsm)

磁阻式(syrm)

永磁式(pmm)

永磁同步電機(jī)分為：徑向電機(jī)、軸向電機(jī)和盤式電機(jī)

徑向電機(jī)又分為：表面式和埋式

表面式又分為：梯形波（永磁無刷直流電機(jī)）

正弦波（永磁同步電機(jī)）

（C）可變磁阻式電機(jī)（旋轉(zhuǎn)式或直線式）：開關(guān)磁阻式

步進(jìn)式

業(yè)機(jī)的進(jìn)展和發(fā)展趨勢

I電機(jī)的發(fā)展很緩慢，已持續(xù)了100多年

I先進(jìn)的cad程序和材料的改進(jìn)使電機(jī)具有更低的成本、更高的效率、可靠性得以改進(jìn)、功

率密度得以提高

I直流電機(jī)在未來將逐漸被淘汰

I鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)將在很寬的功率圍保持為工業(yè)界的主力電機(jī)

I繞線磁極式同步電機(jī)在大功率使用場合仍然很受歡迎

I永磁同步電機(jī)雖然效率高但是成本也很高，它們在生命周期費(fèi)用中優(yōu)于感應(yīng)也機(jī)

I從長遠(yuǎn)來看大多數(shù)的電機(jī)（不論是恒速還是變速電機(jī)）都將會帶有前端變換器

I帶有集成變換器和集成控制器的智能電機(jī)看來在將來有非常好的發(fā)展前景

感應(yīng)電動機(jī)傳動的發(fā)展

（1）感應(yīng)電機(jī)的M要分類

I恒頻定子電壓控制

I電壓源型pwm逆變器傳動

I電流源型逆變器傳動（6階或pwm）

I周波變換器傳動

I轉(zhuǎn)差功率回饋型傳動系統(tǒng)

n靜?止的克拉默(kramer)傳動

n靜止的爾必斯(scherbiLS)傳動

(2)感應(yīng)電機(jī)高性能調(diào)速方法

伊麗莎白2世女皇號游船用的柴油發(fā)電一電氣推進(jìn)系統(tǒng)：圖9)

44MW,0-144RPM

50-POLE

本

5NO.

10KV"Wo-

60Hz

DIESELCROSS3.3KV

GENERATORS/COUPLING

CBS

2VARIABLE

PITCH

PROPELLER

4NO.I1

10.5MWQ.9PF

400RPM-<ZD

POSITION

介ENCODER

MODE

CONTROL

I9臺柴油發(fā)包機(jī)組一10.5mw,功率因數(shù)0.9,10kv,60hz,400r/min（每臺參數(shù)）

I2臺繞線磁極同步電動機(jī)，外加直流有刷勵磁機(jī)一44im,0~144r/min,50極，單位功率

因數(shù)（每臺參數(shù)）

I6脈波整流器和6脈波負(fù)載換流逆變器系統(tǒng)

I電動機(jī)由電力電子變換器啟動，在達(dá)到全速時(shí)（144r/min）、切換到由60hz電網(wǎng)供電

I啟動時(shí)變換器的直流電流（＜10舟轉(zhuǎn)速）為斷續(xù)模式，不過在較高速度下為反電勢負(fù)載換向模

式

I螺旋槳推進(jìn)器可變節(jié)距以控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩

I通過變換器的推進(jìn)速度圍為72144r/min

I在再生狀態(tài)下速度可反轉(zhuǎn)

I速度控制是由id電流控制環(huán)來實(shí)現(xiàn)的

I滿載效率：發(fā)電機(jī)97.3%,電動機(jī)98%

采用周波變換器一繞線磁極同步電動機(jī)傳動的破冰船柴油發(fā)電一電氣推進(jìn)系統(tǒng)（圖10）

DIESELPOWEREODIESELPOWEREDDIESELPOWERED

ALTENATORAUTENATORALTEMATOR

6250KVA625OKVA6250KVA.

4160M60HZ4160V,60HZ4160V,60HZ

416。VOLTRUS

OTHER

LOADS2-4000KW2-40CXXVA

4I6Q/1200V4I60/I200V

UUUUALUJJWJJAULW

rrrp?qrrpYYY

PORTSTARBOARD

CYCLOCONVERTERCYCLOCONVERTER

3-1200V,I875A3-1200V；I875A

SYNCHRONOUSMOTOR

8000HP,145/IOORPM

O-IOHZ

I加拿大ge公司為圣勞倫斯河破冰船建造的

I在柴油引擎冏定轉(zhuǎn)速下母線電壓是恒定的(4160v,60hz)

I由36個(gè)晶閘管組成6脈波無環(huán)流模式周波變換器

I帶位置傳感器的自控式繞線磁極同步電動機(jī)(wfsm)傳動(8000馬力，12極，0-180r/min,

0~18hz)

n無刷勵磁

n速度可反轉(zhuǎn)，但不帶再生

n電機(jī)的dpf（畸變功率因數(shù)）為1

n采用定子磁場定向的直接矢量控制

n在低速下為電流模式預(yù)測磁通矢量，而在高速時(shí)為電壓模式預(yù)測

n采用預(yù)測前饋反電勢注入實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)相電流控制

I在具有梯形電壓波的弱磁模式下采用標(biāo)量控制

用于礦石破碎機(jī)的12mw雙周波變換器同步電動機(jī)傳動系統(tǒng)（圖11）

1.3KVPINION

CYCLO

WFSM

丫RING

丫GEAR

33KV▽

60Hz

DRUM

燃

CYCLOPINION

6MW,1.95KV,8-POLE

0-225RPM

WFSM

用于變速水輪發(fā)電機(jī)與泵式儲能系統(tǒng)的400mw爾必斯（scherbius）傳動（圖12）

PowerSystem

60Hz500kV

18kV

CollectorRing

Cycloconverter

72MVA

Generator/Motor

400MW

Stator

PumpTurbine

(Francistype)

I安裝在kansai電力公司的ohkawachi工廠的世界上第一臺也是僅有的一臺變速水泵式發(fā)

電機(jī)

I400mw采用轉(zhuǎn)差功率按副的爾必斯傳動

I采用變水頭提高