电力电子技术与电力传动_第四章

1 第四章电力电子技术与电力传动 电力电子技术的作用电力电子技术的特点电力电子技术的研究内容电力电子技术的主要应用领域电力电子技术的发展方向电力传动概况 2 电力电子技术的作用 3 交流电源 交流发电机 直流电源 太阳能电池等 交流 直流 直流 交流 直流输电 直流 交流 电力系统 一般工业系统 钢铁等 交通运输 电气化铁道 电动汽车 家用电器产品 逆变器空调等 其它 如UPS 电力电子技术的应用领域 4 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 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 5 更普遍的定义 电力电子学是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科 电力电子技术的根本特性 节约能源 电力电子技术的作用 续 6 传统电力技术如何将交流电变为直流电 基本原理缺点 电力电子技术的作用 续 例1 7 电力电子技术的作用 续 例2 如何用电力电子开关器件实现电能的变换 DC DC直流降压电路 8 方案一 电阻降压 9 方案二 串联晶体管 10 方案三 串联单刀双掷开关 理想开关 无损耗串联LC 滤出谐波 滤波器的截止频率 开关频率 11 方案三 串联单刀双掷开关 理想开关 无损耗 12 电力电子技术的作用 续 电力电子技术的基本工作框图 13 IEEETransactionONIndustrialElectronicsIEEETransactionONPowerElectronicsIETTransactionONPowerElectronics中国电机工程学报电工技术学报 14 电力电子技术的作用 续 容量为12kV 1 5kA的晶闸管 15 电力电子技术的作用 续 电力电子可控开关元件 16 电源可分为两类 直流电 D C 频率f 0交流电 A C 频率f 0电力变换按电压 电流 的大小 波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器 这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器 电力电子技术的作用 续 电力电子变换技术 Converter Inverter 17 主要发展发展方向 高频化 控制数字化 大容量化 18 高频软开关技术新的控制策略磁集成 19 DC DCDC AC交流调速 矢量控制和直接转矩控制能量管理 21 无功补偿和谐波抑制 VARCompensateandHarmonicControl 对电力系统有重要的意义 晶闸管控制电抗器 ThysistorControlledReactor TCR 晶闸管投切电容器 ThysistorControlledCapacitor TSC 都是重要的无功补偿装置 近年来出现的静止无功发生器 StaticVARGenerator SVG 有源电力滤波器 ActivePowerFilter APF 等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿 VARandHarmonicCompensate 的性能 在配电网系统 电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电 瞬时电压跌落 闪变等 以进行电能质量控制 改善供电质量 电力系统在通向现代化的进程中 电力电子技术是关键技术之一 毫不夸张地说 离开电力电子技术 电力系统的现代化是不可想象的 22 电力电子技术的作用 续 安装在挪威的 160Mvar 42kV的无功发生器 23 软开关技术 电力电子装置高频化滤波器 变压器体积和重量减小 电力电子装置小型化 轻量化 开关损耗增加 电磁干扰增大 软开关技术降低开关损耗和开关噪声 进一步提高开关频率 硬开关 25 硬开关 1 开关损耗大 开通时 开关器件的电流上升和电压下降同时进行 关断时 电压上升和电流下降同时进行 电压 电流波形的交叠产生了开关损耗 该损耗随开关频率的提高而急速增加 2 当器件关断时 电路的感性元件感应出尖峰电压 开关频率愈高 关断愈快 该感应电压愈高 此电压加在开关器件两端 易造成器件击穿 3 当开关器件在很高的电压下开通时 储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内 频率愈高 开通电流尖峰愈大 从而引起器件过热损坏 4 电磁干扰严重 随着频率提高 电路中的di dt和dv dt增大 从而导致电磁干扰 EMI 增大 影响整流器和周围电子设备的工作 软开关 27 软开关 和硬开关工作不同 理想的软关断过程是电流先降到零 电压在缓慢上升到断态值 所以关断损耗近似为零 由于器件关断前电流已下降到零 解决了感性关断问题 理想的软开通过程是电压先降到零 电流在缓慢上升到通态值 所以开通损耗近似为零 器件结电容的电压亦为零 解决了容性开通问题 28 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 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 传送能量的模拟 数字 模拟转换技术 多学科知识的综合设计技术 1974年 美国的W Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述 被全世界普遍接受 29 电力电子技术的特点 续 与电子学 信息电子学 的关系 都分为器件和应用两大分支器件的材料 工艺基本相同 都采用微电子技术应用的理论基础 分析方法也基本相同二者同根同源 信息电子电路的器件可工作在开关状态 也可工作在放大状态 电力电子电路的器件一般只工作在开关状态二者的应用目的不同 30 与电力学的关系 电力电子技术广泛用于电力工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解 电镀 电加热 高性能交直流电源 电力电子技术的特点 续 31 与控制理论 自动化技术 的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中电力电子技术是弱电控制强电的技术 是弱电和强电的接口 而控制理论是这种接口的有力纽带电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术 电力电子技术的特点 续 32 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 变换器电路结构与设计 控制与调节 电力电子技术中的储能元件 电子电路的封装与制造 电磁干扰和电磁兼容 电机控制 电力质量控制 33 不控和半控器件 电流全控器件 电压全控器件 功率集成电路器件的体积减小了3到4个数量级 大功率管的开关时间从毫秒级降到了微秒级 低功率时甚至达到了纳秒级 工作频率从50Hz增加到兆赫级 电力半导体器件 电力电子技术的核心 34 发射极关断晶闸管 35 电力电子器件的发展历史 36 电力电子器件新的发展趋势基于Si的器件已经趋于材料特性的极限 电力电子器件的功率频率乘积 f P 109 1010W Hz 新的器件结构新的器件材料 发展趋势 37 电力电子技术的研究内容 续 常见的功率半导体器件有 二极管 Diode 晶闸管 Thyrisor GTO GateTurnOffThyrisor VDMOS VerticalDoubleDiffusionMosfet BJT BipolarJunctionTransistor IGBT Insulated GateBipolarTransitor IGCT Insulated GateCommutatedThyrisor 等 二极管及其符号 38 电力电子技术的研究内容 续 晶闸管及其符号 双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的 它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管 而且仅需一个触发电路 是目前比较理想的交流开关器件 其英文名称Triac即三端双向交流开关之意 39 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 40 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 41 CoolMosTM Infineon 采用Super Junction概念减小导通电阻降低门极电荷 ItisanewrevolutionarytechnologyforpowerMOSFETs ItimplementsacompensationstructureintheverticaldriftregionofaMOSFETinordertoimprovetheon stateresistance 42 电力电子技术的研究内容 续 BJT及其符号BJT 双极晶体管 44 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 45 46 IGBT电压电流耐量趋势图 47 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 48 49 电力电子技术的研究内容 续 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 50 电力电子技术的作用 续 AC DC基本整流电路 51 DC AC基本逆变电路 52 AC AC直接变频 变压电路 53 开关型电力电子变换器的基本特性 开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路输出 输入端附加 滤波器 可以改善输出电压和输入电流波形电力电子变换电路中的电压 电流周期性时间函数v t v t T i t i t T 往往具有对称性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 54 电力电子技术的研究内容 续 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 静态电能变换与控制 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 55 57 58 dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台 实现了和MATLAB Simulink的完全无缝连接 dSPACE实时系统拥有实时性强 可靠性高 扩充性好等优点 59 电力电子技术的研究内容 续 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 60 61 电力电子技术现状基于分离元件基础上 自动化程度低按照用户和用途要求进行特殊设计 开发周期长大量采用非标元件 成本高成本高 开发周期长 自动化程度低 劳动密集 可靠性差 功率密度低限制电力电子技术在应用领域的推广 电力电子技术的研究内容 续 电子电路的封装与制造 62 外部对电力电子技术的需求降低成本改善性能提高功率密度提高可靠性提高可制造性 提高自动化程度电力电子系统集成技术本世纪电力电子技术方向性发展趋势 63 电力电子系统集成概念 摩尔定律 Moore sLaw 标准化 standardization 模块化 Modularization 集成化 Integration 可制造性 Manufacturability 大量生产 VolumeProduction 降低成本 CostReduction 功率处理标准模块 信号处理 64 信号处理 功率处理 输入能量 输出能量 65 电力电子系统集成 类似于微电子的大规模集成电路 VLSI 和机械制造领域的SIMS系统集成 对电力电子技术进行标准化和模块化 两个层次的集成 模块级 建立电力电子集成标准模块系统级 基于标准模块 根据系统集成理论 集成实际电力电子应用系统 66 电力电子标准模块 技术要点 拓扑优选 无源器件集成技术 封装技术 控制技术 热设计 电磁兼容 标准化接口等 电力电子智能标准模块示意图 采用多芯片封装技术实现智能标准模块示意图 电气工程专业导论 67 电力电子技术的研究内容 续 智能化的IGBT模块封装 电气工程专业导论 68 IPM 电气工程专业导论 69 70 72 电力电子应用系统集成 基于电力电子标准模块的应用系统集成模型 电力电子应用系统示意图 技术要点 系统集成理论 串联 并联技术 系统建模和仿真 EMC设计 73 电力电子技术的研究内容 续 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 74 电力电子技术的研究内容 续 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 75 电力电子技术的研究内容 续 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等 采用SVC DVR和APF的电能质量控制示意图 80 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 电机传动中的电力电子技术 电力系统中的电力电子技术 汽车工业中的电力电子技术 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 81 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 82 电机一般分为直流电机和交流电机两种 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 以满足控制对象的特性要求 电力传动概况 图4 28典型的电力电子传动系统框图 83 电力传动概况 续 1 直流电机传动 84 电力传动概况 续 调压AC DC整流 二极管全波整流桥相控整流桥PWM整流桥 图4 29三种整流方式输出电压波形 85 电力传动概况 续 DC DC整流 图4 30地铁列车DC DC直流斩波器 a DC DC斩波调压 b Ua波形 86 2 交流电机传动 图4 31DC AC逆变器驱动交流电机 87 单相逆变器 88 三相逆变器 图4 33三相逆变工作原理图 89 脉宽调制技术 PWM PulseWidthModulation 控制 脉冲宽度调制技术 通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效地获得所需要波形 含形状和幅值 直流斩波电路采用斩控式交流调压电路 矩阵式变频电路 PWM控制的基本思想 重要理论基础 面积等效原理 采样控制理论中的一个重要结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 B PWM控制的基本思想 若要改变等效输出正弦波幅值 按同一比例改变各脉冲宽度即可 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 SPWM波 C t t t 92 直流电机数学模型的性质直流电机的磁通由励磁绕组产生 可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程 弱磁调速时除外 因此它的动态数学模型只是一个单输入和单输出系统 交流电机的矢量控制 二极直流电机的物理模型 d q F A C if ia ic 励磁绕组 电枢绕组 补偿绕组 94 交流电机是多变量 强耦合的模型结构 由于这些原因 异步电机是一个多变量 多输入多输出 系统 而电压 电流 频率 磁通 转速之间又互相都有影响 所以是强耦合的多变量系统 可以先用右图来定性地表示 异步电机的多变量 强耦合模型结构 交流电机绕组的等效物理模型 a 三相交流绕组 96 97 基本思想 ABC坐标系 坐标系 dq坐标系 3 2变换 C2s 2r 以产生同样的旋转磁动势为准则 在三相坐标系上的定子交流电流iA iB iC 通过三相 两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i i 再通过同步旋转变换 可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im和it 98 如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转 他所看到的便是一台直流电机 可以控制使交流电机的转子总磁通 r就是等效直流电机的磁通 则M绕组相当于直流电机的励磁绕组 im相当于励磁电流 T绕组相当于伪静止的电枢绕组 it相当于与转矩成正比的电枢电流 旋转的直流绕组与等效直流电机模型 101 异步电动机的坐标变换结构图3 2 三相 两相变换 VR 同步旋转变换 M轴与 轴 A轴 的夹角 3 2 VR 等效直流电动机模型 A B C iA iB iC it im i i 异步电动机 异步电机的坐标变换结构图 102 既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机 那么 模仿直流电机的控制策略 得到直流电机的控制量 经过相应的坐标反变换 就能够控制异步电机了 由于进行坐标变换的是电流 代表磁动势 的空间矢量 所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统 VectorControlSystem 控制系统的原理结构如下图所示 103 矢量控制系统原理结构图 矢量控制系统原理结构图 104 在设计矢量控制系统时 可以认为 在控制器后面引入的反旋转变换器VR 1与电机内部的旋转变换环节VR抵消 2 3变换器与电机内部的3 2变换环节抵消 如果再忽略变频器中可能产生的滞后 则上图中虚线框内的部分可以完全删去 剩下的就是直流调速系统了 105 设计控制器时省略后的部分 106 可以想象 这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静 动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美 107 3 特殊电机传动 永磁无刷直流电机 PMBLDCM 图4 36结构及定子三相绕组波形 108 三相永磁同步电机 PMSM 图4 37结构及定子绕组波形 PMBLDCM与PMSM的区别 1 正反直流电VS正弦交流电 2 转子位置分次检测VS连续实时检测 109 同步磁阻电机 Syncrel 图4 38开关磁阻电机结构与控制 开关磁阻电机 SRM 磁阻 解决永磁体的失磁问题同步磁阻电机与开关磁阻电机区别 定转子之间气隙磁场正弦分布VS非正弦分布 110 谢谢大家 That sall 111 4 1RoleofPowerElectronics4 2FeaturesofPowerElectronics4 3ResearchTopicsonPowerElectronics4 4MainApplicationsofPowerElectronics4 5DevelopmentTrendsofPowerElectronics4 6GeneralintroductiontoElectricDrives Chapter4PowerElectronicsandElectricDrives 112 Thereisnearly40 ofthepowerconvertedbypowerelectronicconverters whileelectricpoweraccountsforabout40 inworldenergyuse PowerelectronicsdefinedbyIEEEasfollows Powerelectronics PE isthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform Inaword it satechnologythatconvertarawformofpowersourcetoadesiredformbyusingelectronicdeviceastheswitch thatis powerconversion Combinationofelectronics power andcontrol thepowerelectronicsdealswithefficientpowerconversionbasedoncontroltheory computertools andelectronicswitches 4 1RoleofPowerElectronics 113 BasicBlockDiagramofPowerElectroniccircuit powerin powerout control Load converter 114 12kV 1 5kA thyristor 115 Controlledpowerswitches 116 160Mvar 42kVStaticVarGenerator Norway 117 4 2FeaturesofPowerElectronics Interstitialtothreeareasofelectricalengineering Power Electronics Control ispowerelectronics anovelinterdisciplinary Features 1 Powercontrolledbyelectronictechnology widelyincludingbasictheory professionaltheoryandtechnology suchas solidstatephysics electromagnetism circuit powersystems electronics heattransfercontrolsystems motor3 interdisciplinarysynthesis 118 4 3ResearchTopicsonPowerElectronics PowersemiconductordevicesConvertertopologydesignControlandregulationEnergystoragedevicesCircuitspackingandmanufacturingElectromagneticInterferenceandCompatibility EMI EMC MotordrivePowerquality 119 Diode Thyristor GTO VDMOS BJT IGBT IGCTandtheircircuitsymbols Diode 1 Powersemiconductordevices thecoreofpowerelectronics 120 Thyristor 121 GTO gate turn offthyristor 122 VDMOS VerticalDouble diffusedMOSFET 123 BJT PowerBipolarJunctionTransistor AlsocalledGTR GiantTransistor 124 IGBT InsulatedGateBipolarTransistor 125 IGCT IntergratedGateCommutatedThyristor 126 Fourtypesofconverterscategorizedbypowerconversionforms AC DCconverter Rectifier DC DCconverter DCchopper DC ACconverter Inverter AC ACconverter Powercontroller Cycloconverter Agooddesignoftheconverterincludesseveralaspectssuchas FunctionFactor EMC HeatSinkandStructureCompatibility 2 Convertertopologydesign 127 Computercontrolandregulation 3 ControlandRegulation Allpowerelectronicapplicationscontaincontrolandregulation Staticpowerconversionandcontrol Staticpowersupply Motioncontrol etc 128 4 EnergystoragecomponentinpowerelectronicsIncluding magneticelementandcapacitor Therearemorekindsofmagneticmaterialsinpowerelectronictechnology suchassoftmagneticalloy Fe Nialloy Fe Alalloy andFe Co Valloy etc ferrite Mn Znferrite Mg Znferrite etc newamorphousandmicrocrystallinesoftmagneticmaterial Fe basedamorphous Co basedamorphous etc Capacitorisaenergystorageandfiltercomponentpairedwithmagneticcomponent PlanartransformerinPCB 129 5 PackagingandmanufacturingofelectroniccircuitThepackagingtechniqueinpowersemiconductordevicesincludesmaterial manufacturingprocess radiatingmanagement andlayoutoptimizationproblemcorrespondingwithelectricalcharacteristicsofdevices IntelligentIGBTmodulepackaging 130 6 EMIandEMCPowerelectronicstechnologyoperatesindu dtanddi dt ObviouslyitisabigEMIsourcewhenthepowerelectronicssystemisworking EMIandEMCareimportantresearchcontentinpowerelectronicstechnology ThepowerelectronicsequipmentisinEMIexperiment 131 7 MotorcontrolElectricdrivesystemcanalsobecalledaspowerdrivesystemandmotorspeedcontrolsystem Including speedcontroldriveforprocess speedcontroldriveforenergysaving tractionspeedcontroldriveandaccurate specialspeedcontroldrive ACmotorandvectorcontrolspeedregulationfrequencyinverter 132 8 PowerstabilityandpowerqualitycontrolIncludes voltagequality currentquality powersupplyqualityandpowerconsumptionquality FACTSdevice staticvarcompensator SVC thyristor controlledseriesswitchedcapacitor TSSC thyristor controlledseriescapacitor unifiedpowerflowcontroller UPFC etc Customerpowertechnology APF DVR SVC SSCB etc PowerqualitycontroldiagramusingSVC DVR andAPF 133 Mainapplicationareas Sourcedesign Motordrive Powersystem Automobileindustry Greenlighting Newenergyexploitation 4 4MainApplicationsofPowerElectronicsTechnology 134 IntegrationModulationIntellectualizationHighfrequencyConstantimprovementofdeviceefficiencyContinuouslyextendedvoltageapplicationrange 4 5DevelopmentTrendofPowe