第四章 电力电子技术与电力传动

GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论1第四章电力电子技术与电力传动一．电力电子技术的作用二．电力电子技术的特点三．电力电子技术的研究内容四．电力电子技术的主要应用领域五．电力电子技术的发展方向六．电力传动概况GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论2一．电力电子技术的作用GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论3一．电力电子技术的作用（续）当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电能中有40%需要经过电力电子设备的变换才能被使用。IEEE给出电力电子技术的定义：Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform.简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得到的电源变换为所需要的电源的一门科学应用技术，即电源变换技术。它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，以控制理论为基础、以微电子器件或计算机为工具、以电子开关器件为执行机构实现对电能的有效变换。GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论4一．电力电子技术的作用（续）电力电子技术的基本工作框图：GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论5一．电力电子技术的作用（续）容量为12kV/1.5kA的晶闸管GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论6一．电力电子技术的作用（续）电力电子可控开关元件GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论7一．电力电子技术的作用（续）安装在挪威的±160Mvar、42kV的无功发生器GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论8二．电力电子技术的特点它是从电气工程中3大学科领域（电力、控制、电子）发展起来的一门新型交叉学科。电力电子技术特点：①弱电控制强电的学科交叉技术；所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测量、计算机仿真、CAD）等。②传送能量的模拟-数字-模拟转换技术；③多学科知识的综合设计技术。GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论9三．电力电子技术的研究内容电力电子技术的研究内容：①电力半导体器件；②变换器电路结构与设计；③控制与调节；④电力电子技术中的储能元件；⑤电子电路的封装与制造；⑥电磁干扰和电磁兼容；⑦电机控制；⑧电力质量控制。GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论10三．电力电子技术的研究内容（续）1.电力半导体器件—电力电子技术的核心常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、GTO、VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等。二极管及其符号GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论11三．电力电子技术的研究内容（续）晶闸管及其符号GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论12三．电力电子技术的研究内容（续）GTO及其符号GTO—门极可关断晶闸管GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论13三．电力电子技术的研究内容（续）VDMOS及其符号VDMOS—垂直双扩散金属氧化物场效应管GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论14ab三．电力电子技术的研究内容（续）BJT及其符号BJT—双极晶体管GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论15三．电力电子技术的研究内容（续）IGBT及其符号IGBT—绝缘栅双极晶体管GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论16三．电力电子技术的研究内容（续）IGCT及其符号IGCT—集成门极换向晶闸管GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论17三．电力电子技术的研究内容（续）2.变换器电路结构与设计根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式：交流-直流变换器（AC/DC）——整流器；直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器；直流-交流变换器（DC/AC）——逆变器；交流-交流变换器（AC/AC）——交流调压器、周波变换器；一个性能良好的变换装置设计，大致应包括功能指标设计、电磁兼容设计、系统散热设计和结构亲和性设计等几个方面。输入输出GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论18三．电力电子技术的研究内容（续）3.控制与调节电力电子的所有应用都包含有控制与调节问题。如：静态电力变换与控制；静态电力供应；运动控制等计算机用于电力电子技术的控制与调节GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论19三．电力电子技术的研究内容（续）4.电力电子技术中的储能元件电力电子技术中的储能元件有磁性元件和电容器两类。电力电子技术中的磁性材料的种类越来越多，如软磁合金（铁镍合金、铁铝合金、铁钴钒合金等）、铁氧体（锰锌铁氧体、镁锌铁氧体等）、新型非晶和微晶软磁材料（铁基非晶、钴基非晶等）。电容器是与磁性元件对偶的一种储能和滤波元件。印刷板上的平面变压器GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论20三．电力电子技术的研究内容（续）5.电子电路的封装与制造电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、散热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题。智能化的IGBT模块封装GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论21三．电力电子技术的研究内容（续）6.电磁干扰和电磁兼容电力电子技术是以du/dt和di/dt方式工作，显然电力电子系统工作时，就是一个大的电磁干扰源；电力电子技术中研究电磁干扰和电磁兼容是重要的内容之一。电力电子设备在做电磁干扰试验GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论22三．电力电子技术的研究内容（续）7.电机控制电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵引调速传动和精密、特种调速传动四大类。交流电机及其矢量控制调速变频器GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论23三．电力电子技术的研究内容（续）8.电力稳定与电能质量控制电能质量包括几个方面内容：电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。FACTS装置：静止无功补偿器（SVC）、晶闸管控制的串联投切电容器（TSSC）、可控串联补偿电容器（TCSC）、统一潮流控制器（UPFC）等。定制电力技术：APF、DVR、SVC、SSCB等采用SVC、DVR和APF的电能质量控制示意图GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论24四．电力电子技术的主要应用领域电力电子技术的主要应用领域：①电源设计中的电力电子技术；②电机传动中的电力电子技术；③电力系统中的电力电子技术；④汽车工业中的电力电子技术；⑤绿色照明中的电力电子技术；⑥新能源开发中的电力电子技术；GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论25五．电力电子技术的发展方向集成化模块化智能化高频化不断提高装置效率不断拓展电压应用范围GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论26六．电力传动概况电机是电气技术所涉及的重要对象之一。电能的生产是由发电机完成的；电动机则可拖动生产机械和各种负载运转，从而实现生产的自动化和家用电器及办公设备的智能化。电动机分为直流电机和交流电机两种。在电机的发展史上，直流电机发明较早，它的电源是电池。后来才出现了交流电机。直流电动机具有调速范围广、易于平滑调速；起动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等优点。但直流电机有一个突出的缺点——换流问题。它限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论27六．电力传动概况（续）人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效果，使这在某些调速场合代替了直流电动机。除了普通的直流电机和交流电机外，还有各种微控电机。微控电机广泛用于各种家电、办公设备和伺服控制系统中。微控电机的发展和应用，也是电机发展和应用的一个重要方面。电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵引调速传动和精密、特种调速传动四大类。GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论28六．电力传动概况（续）工艺调速传动指生产工艺要求必须调速的传动，主要用于轧机、造纸、化工等场合。节能调速传动是指一般采用风机、泵、压缩机等调节流量和压力的场合。电力牵引调速传动则指用地电气铁道、地铁，各种电动车，工矿牵引、矿井卷扬及电梯等场合实现运输、牵引的传动。精密、特种调速传动是指用于现代数控机床、机器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求特别高的传动。GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论29六．电力传动概况（续）正是因为电力传动系统具有如此广泛的应用背景，再加上电力电子技术的飞速发民，近十年来全球工业应用的电机调速装置增长了25%，远远超过了前30年的增长率。随着微电子技术和自动控制技术的发展，使全数字微机控制的电力拖动系统得以问世并迅速发展起来。微机控制技术在电力拖动系统中的应用给这一领域注入了新的活力，使之呈现现出蓬勃发展的新景象。GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论30谢谢大家！