电气工程概论第四章电力电子技术与电力传动.ppt

第第4章章 电力电子技术与电力传动电力电子技术与电力传动 2021/9/151电气工程概论4.1 电力电子技术的作用电力电子技术的作用 2021/9/152电气工程概论pp当今世界电力能源的使用约占总能源的当今世界电力能源的使用约占总能源的当今世界电力能源的使用约占总能源的当今世界电力能源的使用约占总能源的40%40%。而电能中有。而电能中有。而电能中有。而电能中有40%40%需要经过电力电子设备的变换才能被使用。需要经过电力电子设备的变换才能被使用。需要经过电力电子设备的变换才能被使用。需要经过电力电子设备的变换才能被使用。ppIEEEIEEE给出电力电子技术的定义：给出电力电子技术的定义：给出电力电子技术的定义：给出电力电子技术的定义：Power electronics is the technology associated with the efficient conversion,control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form.pp简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得到简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得到简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得到简单地说，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。技术。技术。技术。pp它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，以它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，以它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，以它是电子工程、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。器件为执行机构实现对电能的有效变换。器件为执行机构实现对电能的有效变换。器件为执行机构实现对电能的有效变换。2021/9/153电气工程概论电力电子技术的基本工作框图：电力电子技术的基本工作框图：2021/9/154电气工程概论容量为容量为12kV/1.5kA的晶闸管的晶闸管2021/9/155电气工程概论电力电子可控开关元件电力电子可控开关元件2021/9/156电气工程概论安装在挪威的安装在挪威的160Mvar、42kV的无功发生器的无功发生器2021/9/157电气工程概论4.2 电力电子技术的特点电力电子技术的特点pp它是从电气工程中它是从电气工程中它是从电气工程中它是从电气工程中3 3大学科领域（电大学科领域（电大学科领域（电大学科领域（电力、控制、电子）发展起来的一门新力、控制、电子）发展起来的一门新力、控制、电子）发展起来的一门新力、控制、电子）发展起来的一门新型交叉学科。型交叉学科。型交叉学科。型交叉学科。pp电力电子技术特点：电力电子技术特点：电力电子技术特点：电力电子技术特点：弱电控制强电的学科交叉技术；弱电控制强电的学科交叉技术；弱电控制强电的学科交叉技术；弱电控制强电的学科交叉技术；所涉及的学科广泛，包括：基础所涉及的学科广泛，包括：基础所涉及的学科广泛，包括：基础所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论（固体物理、电磁学、电路理论（固体物理、电磁学、电路理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、理论）、专业理论（电力系统、理论）、专业理论（电力系统、理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电子学、传热学、系统与控制、电子学、传热学、系统与控制、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、电机学及电力传动、通信理论、电机学及电力传动、通信理论、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专信号处理、微电子技术）以及专信号处理、微电子技术）以及专信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测量、计算机仿真、门技术（电磁测量、计算机仿真、门技术（电磁测量、计算机仿真、门技术（电磁测量、计算机仿真、CADCAD）等。）等。）等。）等。传送能量的模拟传送能量的模拟传送能量的模拟传送能量的模拟-数字数字数字数字-模拟转换技术；模拟转换技术；模拟转换技术；模拟转换技术；多学科知识的综合设计技术。多学科知识的综合设计技术。多学科知识的综合设计技术。多学科知识的综合设计技术。2021/9/158电气工程概论4.3 电力电子技术的研究内容电力电子技术的研究内容 pp电力电子技术的研究内容：电力电子技术的研究内容：电力电子技术的研究内容：电力电子技术的研究内容：电力半导体器件；电力半导体器件；电力半导体器件；电力半导体器件；变换器电路结构与设计；变换器电路结构与设计；变换器电路结构与设计；变换器电路结构与设计；控制与调节；控制与调节；控制与调节；控制与调节；电力电子技术中的储能元件；电力电子技术中的储能元件；电力电子技术中的储能元件；电力电子技术中的储能元件；电子电路的封装与制造；电子电路的封装与制造；电子电路的封装与制造；电子电路的封装与制造；电磁干扰和电磁兼容；电磁干扰和电磁兼容；电磁干扰和电磁兼容；电磁干扰和电磁兼容；电机控制；电机控制；电机控制；电机控制；电力质量控制。电力质量控制。电力质量控制。电力质量控制。2021/9/159电气工程概论1.电力半导体器件电力半导体器件电力电子技术的核心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、常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、GTOGTO、VDMOSVDMOS、BJTBJT、IGBTIGBT、IGCTIGCT等。等。等。等。二极管及其符号二极管及其符号二极管及其符号二极管及其符号2021/9/1510电气工程概论晶闸管及其符号晶闸管及其符号晶闸管及其符号晶闸管及其符号2021/9/1511电气工程概论GTOGTO及其符号及其符号及其符号及其符号GTOGTO门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2021/9/1512电气工程概论VDMOSVDMOS及其符号及其符号及其符号及其符号VDMOSVDMOS垂直双扩散金属氧化物场效应管垂直双扩散金属氧化物场效应管垂直双扩散金属氧化物场效应管垂直双扩散金属氧化物场效应管2021/9/1513电气工程概论abBJTBJT及其符号及其符号及其符号及其符号BJTBJT双极晶体管双极晶体管双极晶体管双极晶体管2021/9/1514电气工程概论IGBTIGBT及其符号及其符号及其符号及其符号IGBTIGBT绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2021/9/1515电气工程概论IGCTIGCT及其符号及其符号及其符号及其符号IGCTIGCT集成门极换向晶闸管集成门极换向晶闸管集成门极换向晶闸管集成门极换向晶闸管2021/9/1516电气工程概论2.变换器电路结构与设计变换器电路结构与设计p根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式：根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式：根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式：根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式：交流交流交流交流-直流变换器（直流变换器（直流变换器（直流变换器（AC/DCAC/DC）整流器；整流器；整流器；整流器；直流直流直流直流-直流变换器（直流变换器（直流变换器（直流变换器（DC/DCDC/DC）斩波器；斩波器；斩波器；斩波器；直流直流直流直流-交流变换器（交流变换器（交流变换器（交流变换器（DC/ACDC/AC）逆变器；逆变器；逆变器；逆变器；交流交流交流交流-交流变换器（交流变换器（交流变换器（交流变换器（AC/ACAC/AC）交流调压器、周波变换器；交流调压器、周波变换器；交流调压器、周波变换器；交流调压器、周波变换器；p一个性能良好的变换装置设计，大致应包括功能指一个性能良好的变换装置设计，大致应包括功能指一个性能良好的变换装置设计，大致应包括功能指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标设计、电磁兼容设计、系统散热设计和结构亲和标设计、电磁兼容设计、系统散热设计和结构亲和标设计、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。性设计等几个方面。性设计等几个方面。性设计等几个方面。输入输入输出输出2021/9/1517电气工程概论3.控制与调节控制与调节4.4.电力电子的所有应电力电子的所有应电力电子的所有应电力电子的所有应用都包含有控制与调用都包含有控制与调用都包含有控制与调用都包含有控制与调节问题。如：节问题。如：节问题。如：节问题。如：5.5.静态电力变换与控制；静态电力变换与控制；静态电力变换与控制；静态电力变换与控制；6.6.静态电力供应；静态电力供应；静态电力供应；静态电力供应；7.7.运动控制等运动控制等运动控制等运动控制等计算机用于电力电子技术的控制与调节计算机用于电力电子技术的控制与调节计算机用于电力电子技术的控制与调节计算机用于电力电子技术的控制与调节2021/9/1518电气工程概论4.电力电子技术中的储能元电力电子技术中的储能元件件pp电力电子技术中的储能元件有电力电子技术中的储能元件有电力电子技术中的储能元件有电力电子技术中的储能元件有磁性元件和电容器两类。磁性元件和电容器两类。磁性元件和电容器两类。磁性元件和电容器两类。pp电力电子技术中的磁性材料的电力电子技术中的磁性材料的电力电子技术中的磁性材料的电力电子技术中的磁性材料的种类越来越多，如软磁合金种类越来越多，如软磁合金种类越来越多，如软磁合金种类越来越多，如软磁合金（铁镍合金、铁铝合金、铁钴（铁镍合金、铁铝合金、铁钴（铁镍合金、铁铝合金、铁钴（铁镍合金、铁铝合金、铁钴钒合金等）、铁氧体（锰锌铁钒合金等）、铁氧体（锰锌铁钒合金等）、铁氧体（锰锌铁钒合金等）、铁氧体（锰锌铁氧体、镁锌铁氧体等）、新型氧体、镁锌铁氧体等）、新型氧体、镁锌铁氧体等）、新型氧体、镁锌铁氧体等）、新型非晶和微晶软磁材料（铁基非非晶和微晶软磁材料（铁基非非晶和微晶软磁材料（铁基非非晶和微晶软磁材料（铁基非晶、钴基非晶等）。晶、钴基非晶等）。晶、钴基非晶等）。晶、钴基非晶等）。pp电容器是与磁性元件对偶的一电容器是与磁性元件对偶的一电容器是与磁性元件对偶的一电容器是与磁性元件对偶的一种储能和滤波元件。种储能和滤波元件。种储能和滤波元件。种储能和滤波元件。pp印刷板上的平面变压器印刷板上的平面变压器印刷板上的平面变压器印刷板上的平面变压器2021/9/1519电气工程概论5.电子电路的封装与制造电子电路的封装与制造pp电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、散电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、散电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、散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热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题热管理，以及与器件电气特性有关的布局优化问题。智能化的智能化的智能化的智能化的IGBTIGBT模块封装模块封装模块封装模块封装2021/9/1520电气工程概论6.电磁干扰和电磁兼容电磁干扰和电磁兼容pp电力电子技术是以电力电子技术是以电力电子技术是以电力电子技术是以du/dtdu/dt和和和和di/dtdi/dt方式工作，显然电力电方式工作，显然电力电方式工作，显然电力电方式工作，显然电力电子系统工作时，就是一个大的电磁干扰源；子系统工作时，就是一个大的电磁干扰源；子系统工作时，就是一个大的电磁干扰源；子系统工作时，就是一个大的电磁干扰源；pp电力电子技术中研究电磁干扰和电磁兼容是重要的内电力电子技术中研究电磁干扰和电磁兼容是重要的内电力电子技术中研究电磁干扰和电磁兼容是重要的内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。容之一。容之一。容之一。pp电力电子设备在做电磁干扰试验电力电子设备在做电磁干扰试验电力电子设备在做电磁干扰试验电力电子设备在做电磁干扰试验2021/9/1521电气工程概论7.电机控制电机控制pp电力电力电力电力拖动系统又称为拖动系统又称为拖动系统又称为拖动系统又称为电力电力电力电力传动系统或电机调速系统。传动系统或电机调速系统。传动系统或电机调速系统。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、牵电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵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。引调速传动和精密、特种调速传动四大类。引调速传动和精密、特种调速传动四大类。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交流电机及其矢量控制调速变频器交流电机及其矢量控制调速变频器交流电机及其矢量控制调速变频器2021/9/1522电气工程概论8.电力稳定与电能质量电力稳定与电能质量控制控制9.9.9.9.电能质量包括几个方面内容：电能质量包括几个方面内容：电能质量包括几个方面内容：电能质量包括几个方面内容：电压质量、电流质量、供电电压质量、电流质量、供电电压质量、电流质量、供电电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。质量、用电质量。质量、用电质量。质量、用电质量。10.10.10.10.FACTSFACTSFACTSFACTS装置：静止无功补偿器装置：静止无功补偿器装置：静止无功补偿器装置：静止无功补偿器（SVCSVCSVCSVC）、晶闸管控制的串联）、晶闸管控制的串联）、晶闸管控制的串联）、晶闸管控制的串联投切电容器（投切电容器（投切电容器（投切电容器（TSSCTSSCTSSCTSSC）、可控）、可控）、可控）、可控串联补偿电容器（串联补偿电容器（串联补偿电容器（串联补偿电容器（TCSCTCSCTCSCTCSC）、）、）、）、统一潮流控制器（统一潮流控制器（统一潮流控制器（统一潮流控制器（UPFCUPFCUPFCUPFC）等。）等。）等。）等。11.11.11.11.定制电力技术：定制电力技术：定制电力技术：定制电力技术：APFAPFAPFAPF、DVRDVRDVRDVR、SVCSVCSVCSVC、SSCBSSCBSSCBSSCB等等等等pp采用采用采用采用SVCSVC、DVRDVR和和和和APFAPF的电能质量的电能质量的电能质量的电能质量控制示意图控制示意图控制示意图控制示意图2021/9/1523电气工程概论4.5 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 pp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：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：电源设计中的电力电子技术；电源设计中的电力电子技术；电源设计中的电力电子技术；电源设计中的电力电子技术；电机传动中的电力电子技术；电机传动中的电力电子技术；电机传动中的电力电子技术；电机传动中的电力电子技术；电力系统中的电力电子技术；电力系统中的电力电子技术；电力系统中的电力电子技术；电力系统中的电力电子技术；汽车工业中的电力电子技术；汽车工业中的电力电子技术；汽车工业中的电力电子技术；汽车工业中的电力电子技术；绿色照明中的电力电子技术；绿色照明中的电力电子技术；绿色照明中的电力电子技术；绿色照明中的电力电子技术；新能源开发中的电力电子技术；新能源开发中的电力电子技术；新能源开发中的电力电子技术；新能源开发中的电力电子技术；2021/9/1524电气工程概论4.6 电力电子技术的发展方向电力电子技术的发展方向 pp集成化集成化集成化集成化pp模块化模块化模块化模块化pp智能化智能化智能化智能化pp高频化高频化高频化高频化pp不断提高装置效率不断提高装置效率不断提高装置效率不断提高装置效率pp不断拓展电压应用范围不断拓展电压应用范围不断拓展电压应用范围不断拓展电压应用范围2021/9/1525电气工程概论4.7 电力传动概况电力传动概况 p电机是电气技术所涉及的重要对象之一。电能的生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产是由发电机完成的；电动机则可拖动生产机械机械和和各种负载运转，从而实现生产的自动化和家用电器各种负载运转，从而实现生产的自动化和家用电器及办公设备的智能化。及办公设备的智能化。p电动机分为直流电机和交流电机两种。在电机的发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。来才出现了交流电机。p直流电动机具有调速范围广、易于平滑调速；起动、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。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但直流电机有一个突出的缺点换流问题。它限换流问题。它限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。2021/9/1526电气工程概论p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。调速场合代替了直流电动机。p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。发展和应用，也是电机发展和应用的一个重要方面。p电力电力拖动系统又称为拖动系统又称为电力电力传动系统或电机调速系统。电机调速传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。种调速传动四大类。2021/9/1527电气工程概论p工艺调速传动工艺调速传动指生产工艺要求必须调速的传指生产工艺要求必须调速的传动，主要用于轧机、造纸、动，主要用于轧机、造纸、化工化工等场合。等场合。p节能调速传动节能调速传动是指一般采用风机、泵、压缩是指一般采用风机、泵、压缩机等调节流量和压力的场合。机等调节流量和压力的场合。p电力电力牵引调速传动牵引调速传动则指用地电气铁道、地铁，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。场合实现运输、牵引的传动。p精密、特种调速传动精密、特种调速传动是指用于现代数控机床、是指用于现代数控机床、机器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求机器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求特别高的传动。特别高的传动。2021/9/1528电气工程概论p正是因为正是因为电力电力传动系统具有如此广泛的应用背景，传动系统具有如此广泛的应用背景，再加上再加上电力电子电力电子技术的飞速发民，近十年来全球技术的飞速发民，近十年来全球工业应用的电机调速装置增长了工业应用的电机调速装置增长了25%25%，远远超过，远远超过了前了前3030年的增长率。年的增长率。p随着微随着微电子电子技术和自动控制技术的发展，使全数技术和自动控制技术的发展，使全数字微机控制的字微机控制的电力电力拖动系统得以问世并迅速发展拖动系统得以问世并迅速发展起来。微机控制技术在起来。微机控制技术在电力电力拖动系统中的应用给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。展的新景象。2021/9/1529电气工程概论4.7.1 电力传动概述电力传动概述电机工作时，根据其控制的对象不同，有的需要在一定宽范围内调速，有的需要一定负载变化范围内稳速，有的需要以一定的要求加速和减速等。总之，电机传动需要满足控制对象机械运动的出力和速度要求。电力传动就是利用电力电子变流装置对电机的转矩和转速两个主要参数进行调节控制，以满足控制对象负载的特性要求。2021/9/1530电气工程概论典型的电力传动系统框图典型的电力传动系统框图 2021/9/1531电气工程概论4.7.2 直流电机传动直流电机传动直流电机，既可作发电机用，又可作电动机用。通以直流电而产生转动机械能的运行方式为直流电动机工作方式；施加转动机械能而发出直流电的运行方式为直流发电机工作方式。直流电机传动主要是电动机运行方式，即通以直流电，使电机按照要求输出转矩和转速。直流电机传动在制动时，电机可以是发电机运行方式，发出直流电，把旋转机械能变成电能回馈到直流电网中。2021/9/1532电气工程概论DC-DC直流斩波主电路直流斩波主电路(a)(b)2021/9/1533电气工程概论4.7.3 交流电机传动交流电机传动 目前交流电机最为普遍的调速方法，无论是同步电机还是异步电机，都是通过调节定子电压(电流)的频率fs来实现。2021/9/1534电气工程概论4.7.4 特殊电机传动特殊电机传动2021/9/1535电气工程概论