電力電子-1基礎(chǔ)知識

電力電子-1基礎(chǔ)知識第一頁，共38頁。授課教師授課教師徐志宇博士，高級工程師智信館（電信學(xué)院）342室2第二頁，共38頁。課程參考資料教材王兆安，劉進(jìn)軍主編．電力電子技術(shù)（第5版），機械工業(yè)出版社，2009.7.阮毅、陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（第4版）,機械工業(yè)出版社，2010.1.主要參考書：BinmalKBose.ModernPowerElectronicsandACDrives.機械工業(yè)出版社,2002.LeonhardW.ControlofElectricalDrives3rded.Springer-Verlag,2001陳伯時，陳敏遜編.交流調(diào)速系統(tǒng).2版機械工業(yè)出版社,2005.楊興瑤編.電動機調(diào)速原理與系統(tǒng).水利電力出版社,1995.JaiPAgrawal.電力電子系統(tǒng)—理論與設(shè)計.清華大學(xué)出版社,2001.正田英介.電力電子學(xué).科學(xué)出版社,2001.3第三頁，共38頁。成績評定7次書面作業(yè)，每次大約4-8個練習(xí)題。2個系統(tǒng)設(shè)計題，要求采用Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真。課程設(shè)計若干項，由學(xué)生自由選擇開展創(chuàng)新類課程設(shè)計。成績計入獎勵加分。8次實驗室現(xiàn)場實驗+4次計算機自主仿真實驗。課程考核由平時考核、期末考試和創(chuàng)新實驗設(shè)計（作為獎勵加分）構(gòu)成。平時考核由課堂討論、作業(yè)、課程項目設(shè)計以及實驗成績組成，占總成績40%期末課程考試成績占60％獎勵加分原則上不超過5分，總分不超過100分。4第四頁，共38頁。第一部分預(yù)備知識電力電子與運動控制第五頁，共38頁。0電力電子與運動控制知識結(jié)構(gòu)6第六頁，共38頁。1.1什么是電力電子技術(shù)■概念◆電力電子技術(shù)：應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。?電力電子技術(shù)中所變換的“電力”有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”，后者特指電力網(wǎng)的“電力”，前者則更一般些。?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。

7第七頁，共38頁。1.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件，對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。

?電力電子器件的制造技術(shù)：電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

?變流技術(shù)：電力電子技術(shù)的核心。

輸入輸出

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流直流斬波

交流（AC）交流電力控制變頻、變相逆變表1-1電力變換的種類8第八頁，共38頁。1.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子學(xué)◆美國學(xué)者W.Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形9第九頁，共38頁。1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電子學(xué)

電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。?電力電子技術(shù)和電力學(xué)

電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。

10第十頁，共38頁。1.1什么是電力電子技術(shù)

各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電圖1-2電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學(xué)科。圖1-2用兩個三角形對電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級學(xué)科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。

11第十一頁，共38頁。1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和控制理論

控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。

電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐帶。

另外，控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

12第十二頁，共38頁。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史■電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖1-3電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(biāo)志的。13第十三頁，共38頁。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。

?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。

?20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時期，也應(yīng)用直流發(fā)電機組來變流。

?1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。

14第十四頁，共38頁。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管時代

?晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。?晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。15第十五頁，共38頁。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。

?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。16第十六頁，共38頁。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史?把驅(qū)動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

17第十七頁，共38頁。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)用的交直流電動機，均采用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速。?對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機等，近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。

18第十八頁，共38頁。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖1-4AB變頻器?有些并不特別要求調(diào)速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。19第十九頁，共38頁。◆交通運輸?電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。

?電動汽車的電機依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。

?飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用20第二十頁，共38頁?！綦娏ο到y(tǒng)?據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。

?直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。

?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。

1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用21第二十一頁，共38頁。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）22第二十二頁，共38頁。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電子裝置用電源

?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。

?在大型計算機等場合，常常需要不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。23第二十三頁，共38頁。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆家用電器

?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。

?空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機，不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。◆其它

?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。?抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術(shù)來起動和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。24第二十四頁，共38頁。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。

?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，更離不開電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學(xué)實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。圖1-7風(fēng)場25第二十五頁，共38頁。

運動控制系統(tǒng)定義：

運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備－－電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置作為驅(qū)動機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)運動控制及其相關(guān)學(xué)科相關(guān)知識：

電機與拖動基礎(chǔ)、自動控制原理、電力電子技術(shù)等1.4什么是運動控制26第二十六頁，共38頁。19世紀(jì)80年代以前--僅有直流電氣傳動19世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機（鼠籠式異步交流電機）--開始逐步使用交流電氣傳動20世紀(jì)后期交流調(diào)速興起20世紀(jì)30年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局1.5運動控制的發(fā)展簡史27第二十七頁，共38頁。工業(yè)生產(chǎn):軋鋼造紙機床傳動交通運輸:電力機車電動汽車軍事:雷達(dá)天線跟蹤設(shè)備家電:CD機自動洗衣機1.6運動控制系統(tǒng)的應(yīng)用28第二十八頁，共38頁。熄焦車運動控制系統(tǒng)①工藝干熄焦系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備熄焦車為大型移動機械設(shè)備(滿載時每車均重約為120噸)，由交流電機驅(qū)動沿軌道運行，往返于焦?fàn)t和熄焦塔之間，接收任一指定碳化室的紅焦，并將其運往熄焦塔熄焦。29第二十九頁，共38頁。②技術(shù)要求

熄焦車可在0～3m/s速度范圍內(nèi)按工藝要求的任意速度行駛，并實現(xiàn)無級調(diào)速，及軟起動、軟停車。熄焦車完成接焦后，在2分鐘之內(nèi)行駛到提升機下指定位置，行駛距離為285m，并完成自動定位停車，干熄焦一期工程要求其定位精度達(dá)到±0.1m，二期工程要求其停位精度達(dá)到±0.01m。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與其它相關(guān)設(shè)備間的聯(lián)鎖控制和各種信息傳輸；能融入整個企業(yè)的管控一體化網(wǎng)絡(luò)。熄焦車運動控制系統(tǒng)30第三十頁，共38頁。③難點大慣性負(fù)載、調(diào)速范圍寬、非線性從調(diào)速系統(tǒng)的角度來分析提示結(jié)論0～3m/s速度每車均重約為120噸熄焦車完成接焦后，在2分鐘之內(nèi)行駛到提升機下指定位置，行駛距離為285m，并完成自動定位停車熄焦車運動控制系統(tǒng)31第三十一頁，共38頁。從類型上分直流電動機交流感應(yīng)電動機（交流異步電動