電氣工程概論第四章電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)

第4章電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)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(dāng)今世界電力能源的運(yùn)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(yùn)用。IEEE給出電力電子技術(shù)的定義：Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform.簡(jiǎn)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(xué)運(yùn)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(shí)際為根底、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。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(diǎn)它是從電氣工程中3大學(xué)科領(lǐng)域〔電力、控制、電子〕開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：根底實(shí)際〔固體物理、電磁學(xué)、電路實(shí)際〕、專業(yè)實(shí)際〔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)、通訊實(shí)際、信號(hào)處置、微電子技術(shù)〕以及專門技術(shù)〔電磁丈量、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)。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(jì)；控制與調(diào)理；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。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(hào)10電氣工程概論晶閘管及其符號(hào)11電氣工程概論GTO及其符號(hào)GTO—門極可關(guān)斷晶閘管12電氣工程概論VDMOS及其符號(hào)VDMOS—垂直雙分散金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管13電氣工程概論abBJT及其符號(hào)BJT—雙極晶體管14電氣工程概論IGBT及其符號(hào)IGBT—絕緣柵雙極晶體管15電氣工程概論IGCT及其符號(hào)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(jì)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(gè)性能良好的變換安裝設(shè)計(jì)，大致應(yīng)包括功能目的設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和構(gòu)造親和性設(shè)計(jì)等幾個(gè)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(yùn)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(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)理18電氣工程概論電力電子技術(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(duì)偶的一種儲(chǔ)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(shí)，就是一個(gè)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(shí)驗(yàn)21電氣工程概論電機(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)和精細(xì)、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(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安裝：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〕、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(yùn)用領(lǐng)域電力電子技術(shù)的主要運(yùn)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)；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(yùn)用范圍25電氣工程概論4.7電力傳動(dòng)概略電機(jī)是電氣技術(shù)所涉及的重要對(duì)象之一。電能的消費(fèi)是由發(fā)電機(jī)完成的；電動(dòng)機(jī)那么可拖動(dòng)消費(fèi)機(jī)械和各種負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)消費(fèi)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)的開展史上，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)突出的缺陷——換流問題。它限制了直流電機(jī)的極限容量，又添加了維護(hù)的任務(wù)量。26電氣工程概論人們研討了交流電機(jī)的調(diào)速，并獲得了良好的效果，使這在某些調(diào)速場(chǎng)所替代了直流電動(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)的開展和運(yùn)用，也是電機(jī)開展和運(yùn)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)和精細(xì)、特種調(diào)速傳動(dòng)四大類。27電氣工程概論工藝調(diào)速傳動(dòng)指消費(fèi)工藝要求必需調(diào)速的傳動(dòng)，主要用于軋機(jī)、造紙、化工等場(chǎng)所。節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)是指普通采用風(fēng)機(jī)、泵、緊縮機(jī)等調(diào)理流量和壓力的場(chǎng)所。電力牽引調(diào)速傳動(dòng)那么指用地電氣鐵道、地鐵，各種電動(dòng)車，工礦牽引、礦井卷揚(yáng)及電梯等場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、牽引的傳動(dòng)。精細(xì)、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(chǎng)所對(duì)伺服、運(yùn)動(dòng)控制要求特別高的傳動(dòng)。28電氣工程概論正是由于電力傳動(dòng)系統(tǒng)具有如此廣泛的運(yùn)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(yùn)用的電機(jī)調(diào)速安裝增長(zhǎng)了25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了前30年的增長(zhǎng)率。隨著微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的開展，使全數(shù)字微機(jī)控制的電力拖動(dòng)系統(tǒng)得以問世并迅速開展起來。微機(jī)控制技術(shù)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的運(yùn)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(dòng)概述電機(jī)任務(wù)時(shí)，根據(jù)其控制的對(duì)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(fù)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。總之，電機(jī)傳動(dòng)需求滿足控制對(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安裝對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩個(gè)主要參數(shù)進(jìn)展調(diào)理控制，以滿足控制對(duì)象負(fù)載的特性要求。30電氣工程概論典型的電力傳動(dòng)系統(tǒng)框圖31電氣工程概論4.7.2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)轉(zhuǎn)方式為直流電動(dòng)機(jī)任務(wù)方式；施加轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能而發(fā)出直流電的運(yùn)轉(zhuǎn)方式為直流發(fā)電機(jī)任務(wù)方式。直流電機(jī)傳動(dòng)主要是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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