电气工程概论第四章电力电子技术与电力传动
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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： 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。
电气工程概论
1. 电力半导体器件—电力电子技术的核心
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
电气工程概论
4.7 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。
电气工程概论
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。
b 电气工程概论
IGBT及其符号 IGBT—绝缘栅双极晶体管
电气工程概论
IGCT及其符号 IGCT—集成门极换向晶闸管
电气工程概论
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；
输入
输出
直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器；
电气工程概论第四章电 力电子技术与电力传动
2023年5月12日星期五
4.1 电力电子技术的作用
电气工程概论
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：
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. 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。
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
电气工程概论
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
电气工程概论
8. 电力稳定与电能质量 控制
电气工程概论
4.7.1 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。
电气工程概论
典型的电力传动系统框图
电气工程概论
4.7.2 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。
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。
电气工程概论
电力电子技术的基本工作框图：
电气工程概论
容量为12kV/1.5kA的晶闸管
电气工程概论
电力电子可控开关元件
电气工程概论
安装在挪威的±160Mvar、42kV的无功发生器
电气工程概论
4.2 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
6. 静态电力供应； 7. 运动控制等
计算机用于电力电子技术的控制与调节
电气工程概论
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）。
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。
电气工程概论
3. 控制与调节
4. 电力电子的所有应 用都包含有控制与调 节问题。如：
5. 静态电力变换与控制 ；
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。
电气工程概论
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。
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： 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；
电气工程概论
4.6 电力电子技术的发展方向
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。
电气工程概论
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。
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
电气工程概论
晶闸管及其符号
电气工程概论
GTO及其符号 GTO—门极可关断晶闸管
电气工程概论
VDMOS及其符号 VDMOS—垂直双扩散金属氧化物场效应管
电气工程概论
a
BJT及其符号 BJT—双极晶体管
电气工程概论
DC-DC直流斩波主电路
(a)
(b)
电气工程概论
4.7.3 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。
电气工程概论
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
电气工程概论
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
电气工程概论
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；
4.3 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。
电气工程概论
1. 电力半导体器件—电力电子技术的核心
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
电气工程概论
4.7 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。
电气工程概论
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。
b 电气工程概论
IGBT及其符号 IGBT—绝缘栅双极晶体管
电气工程概论
IGCT及其符号 IGCT—集成门极换向晶闸管
电气工程概论
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；
输入
输出
直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器；
电气工程概论第四章电 力电子技术与电力传动
2023年5月12日星期五
4.1 电力电子技术的作用
电气工程概论
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：
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. 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。
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
电气工程概论
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
电气工程概论
8. 电力稳定与电能质量 控制
电气工程概论
4.7.1 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。
电气工程概论
典型的电力传动系统框图
电气工程概论
4.7.2 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。
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。
电气工程概论
电力电子技术的基本工作框图：
电气工程概论
容量为12kV/1.5kA的晶闸管
电气工程概论
电力电子可控开关元件
电气工程概论
安装在挪威的±160Mvar、42kV的无功发生器
电气工程概论
4.2 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
6. 静态电力供应； 7. 运动控制等
计算机用于电力电子技术的控制与调节
电气工程概论
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）。
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。
电气工程概论
3. 控制与调节
4. 电力电子的所有应 用都包含有控制与调 节问题。如：
5. 静态电力变换与控制 ；
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。
电气工程概论
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。
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： 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；
电气工程概论
4.6 电力电子技术的发展方向
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。
电气工程概论
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。
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
电气工程概论
晶闸管及其符号
电气工程概论
GTO及其符号 GTO—门极可关断晶闸管
电气工程概论
VDMOS及其符号 VDMOS—垂直双扩散金属氧化物场效应管
电气工程概论
a
BJT及其符号 BJT—双极晶体管
电气工程概论
DC-DC直流斩波主电路
(a)
(b)
电气工程概论
4.7.3 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。
电气工程概论
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
电气工程概论
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
电气工程概论
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；