电气工程概论+第四章+电力电子技术与电力传动

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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。
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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。
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4.7.6 电力传动主要应用领域





信息家电和IT业。 机械加工设备。 起重机与输送机。 风机与水泵。 电梯。 矿山机械。 冶金机械。 船舶。 轨道交通。
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思考题
4-1为什么说晶闸管的诞生开启了电力电子技术的新纪元？ 4-2 电力电子技术与那些技术的关系最为密切？ 4-3 电力电子技术的主要内容是什么？ 4-4 常见的功率半导体器件及主要特点是什么？ 4-5 为什么同一类电力电子开关器件也会有不同的外观？ 4-6 在电力电子技术中，电能变换的输入输出可以分为哪四种 形式？ 4-7 磁场定向控制系统的特点是什么？ 4-8 试述今后电力电子技术的发展方向。 4-9 为什么近20年来交流传动才开始取代直流传动？ 4-10 你身边还有哪些设备采用了电力电子技术？
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。
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电力电子技术的基本工作框图：

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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， 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。
交流电机及其矢量控制调速变频器
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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
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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，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。
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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。
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
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晶闸管及其符号
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GTO及其符号
GTO—门极可关断晶闸管
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VDMOS及其符号
VDMOS—垂直双扩散金属氧化物场效应管
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a
b
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。
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最简单的半波整流电路



在直流电压源供电的直流传动中，通过PWM技术 获得可变的直流电压幅值； 在直流电压源供电的交流传动中，通过PWM技术 获得可变的交流电压幅值、频率和相位。 PWM电压中除了要求的直流电压或交流正弦基波 电压以外还含有丰富的谐波，电压的变化率即 dv/dt很大。电压型逆变器给电机供电还存在电机 中性点产生共模电压,在电机轴承上产生电晕放电， 腐蚀轴承。
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最简单的单相逆变器原理
直 流 E 电 源 1 2
I
V
3
4
V基波（正弦交流） Nhomakorabeat
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单相PWM逆变电路
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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
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印刷板上的平面变压器
超级电容器

超级电容器又叫双电层电容器 (Electrical Double-Layer Capacitor) 是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使 用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
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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。
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容量为12kV/1.5kA的晶闸管
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电力电子可控开关元件
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安装在挪威的±160Mvar、42kV的无功发生器
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电力电子技术发展简史
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老式整流器
汞弧整流管
硒整流器（硒堆）
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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。
第4章 电力电子技术与电力传动
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4.1 电力电子技术的作用与发展简史
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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.

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采用SVC、DVR和APF的电能质量 控制示意图
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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；
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DC-DC直流斩波主电路
(a)
(b)
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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。
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4.7.4 特殊电机传动
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4.7.5 脉宽调制技术对电机传动的影响
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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。
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1. 电力半导体器件—电力电子技术的核心
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4.6 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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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。