电力电子技术与电力传动

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人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效果， 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。 除了普通的直流电机和交流电机外，还有各种微控电机。 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。 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。 电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。 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、 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。
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印刷板上的平面变压器
3.5 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 电力半导体器件的封装技术包括材料、制造过程、 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IGBT模块封装 智能化的IGBT模块封装
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3.6 电磁干扰和电磁兼容
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3.2 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： 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； 交流-直流变换器（AC/DC）——整流器； 整流器 直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器 直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器； 斩波器； 直流-交流变换器（DC/AC）——逆变器 直流-交流变换器（DC/AC）——逆变器； 逆变器； 交流-交流变换器（AC/AC）——交流调压器 周波变换器； 交流-交流变换器（AC/AC）——交流调压器、周波变换器； 交流调压器、
采用SVC、DVR和APF的电能质量控制示意图 采用SVC、DVR和APF的电能质量控制示意图
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4. 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： ① 电源设计中的电力电子技术； 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； 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； 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； 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； 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； 新能源开发中的电力电子技术；
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3.1 电力半导体器件—电力电子技术的核心 电力半导体器件—
常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、GTO、 常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、GTO、 VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等 VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等。
二极管及其符号
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晶闸管及其符号
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GTO及其符号 GTO及其符号 GTO— GTO—门极可关断晶闸管
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VDMOS及其符号 VDMOS及其符号 VDMOS— VDMOS—垂直双扩散金属氧化物场效应管
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a
b
BJT及其符号 BJT及其符号 BJT— BJT—双极晶体管
14Βιβλιοθήκη IGBT及其符号 IGBT及其符号 IGBT— IGBT—绝缘栅双极晶体管
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IGCT及其符号 IGCT及其符号 IGCT— IGCT—集成门极换向晶闸管
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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：
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容量为12kV/1.5kA的晶闸管 的晶闸管 容量为
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电力电子可控开关元件
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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
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2. 电力电子技术的特点
它是从电气工程中3大学科领域（ 它是从电气工程中3大学科领域（电 控制、电子） 力、控制、电子）发展起来的一门新 型交叉学科。 型交叉学科。 电力电子技术特点： 电力电子技术特点： ① 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： 理论（固体物理、电磁学、 理论（固体物理、电磁学、电路 理论）、专业理论（电力系统、 ）、专业理论 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） 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、 CAD） CAD）等。 传送能量的模拟-数字-模拟转换技术； 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。 多学科知识的综合设计技术。
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5. 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
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6. 电力传动概况
电机是电气技术所涉及的重要对象之一。 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； 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， 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。 智能化。 电动机分为直流电机和交流电机两种。 电动机分为直流电机和交流电机两种。在电机的发展史 直流电机发明较早，它的电源是电池。 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。 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、 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。 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 换流问题。 流电机有一个突出的缺点 换流问题 电机的极限容量，又增加了维护的工作量。 电机的极限容量，又增加了维护的工作量。
电力电子技术与电力传动
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1. 电力电子技术的作用
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当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。 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 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。 IEEE给出电力电子技术的定义： IEEE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. 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， 的电源变换为所需要的电源的一门科学应用技术， 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。 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， 控制理论为基础、以微电子器件或计算机为工具、 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。
计算机用于电力电子技术的控制与调节
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3.4 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。 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， 种类越来越多，如软磁合金 铁镍合金、铁铝合金、 （铁镍合金、铁铝合金、铁钴 钒合金等）、铁氧体（ ）、铁氧体 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 非晶和微晶软磁材料（ 非晶和微晶软磁材料（铁基非 钴基非晶等）。 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。 种储能和滤波元件。
电力电子技术是以du/dt和di/dt方式工作 电力电子技术是以du/dt和di/dt方式工作，显然电力电 方式工作， 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； 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。
电力电子设备在做电磁干扰试验
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3.7 电机控制
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工艺调速传动指生产工艺要求必须调速的传动， 工艺调速传动指生产工艺要求必须调速的传动， 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。 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 是指一般采用风机、 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。 调节流量和压力的场合。 电力牵引调速传动则指用于电气铁道、地铁，各 电力牵引调速传动则指用于电气铁道、地铁， 则指用于电气铁道 种电动车，工矿牵引、 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。 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 是指用于现代数控机床、 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、 器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求特别高 的传动。 的传动。
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正是因为电力传动系统具有如此广泛的应用背景， 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， 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 工业应用的电机调速装置增长了 ， 了前30年的增长率 年的增长率。 了前 年的增长率。 随着微电子技术和自动控制技术的发展， 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。 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， 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。