4 电力电子技术与电力传动_第四章.ppt

电气工程导论，第1章，第4章电力电子技术与电力传输，电力电子技术的功能，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，电气工程导论，2，电力电子技术的功能，电气工程导论，3，交流电源(交流发电机)，DC电源(太阳能电池等。)、交流/DC、DC/交流、DC传输、DC/交流、电力系统、一般工业系统(钢铁等。)、交通(电气化铁路、电动汽车)、家用电器(变频空调等。)，其他(如不间断电源)，电力电子技术的应用领域，电气工程专业导论，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%。然而，40%的电能需要由电力电子设备转换后才能使用。电气和电子工程师协会给出了电力电子技术的定义：电力电子技术。controlandconditioningofelectricpowerbystationsansfromssaveilableinputformintothedsiredeleectricoutputform。这是一项结合了电子工程、电力工程和控制工程的技术。它以控制理论为基础，以微电子器件或计算机为工具，以电子开关器件为执行器，实现电能的有效转换。更常见的定义是：电力电子学是一门使用电力电子设备来控制和转换电能的学科。电力电子技术的基本特征是节能。电气工程导论，5。电力电子技术的功能(续)。传统的电力技术如何将交流电转换成直流电？基本原理和缺点，电气工程导论，6，电力电子技术的作用(续)案例1，电气工程导论，7，电力电子技术的作用(续)案例2，如何利用电力电子开关器件实现电源转换？DC/DC DC DC降压电路，电气工程导论，8，方案1 :电阻降压，电气工程导论，9，方案2 :串联晶体管，电气工程导论，10，方案3 :串联SPDT开关，理想开关，无损串联LC，滤除谐波，滤波器截止频率开关频率，电气工程导论，11，方案3 :串联SPDT开关，理想开关，无损，电气工程专业导论，12，电力电子技术功能(续)， 电力电子技术基础工作图：电力电子技术基础工作图：电力电子技术基础工作图：电力电子技术基础工作图：电力电子技术基础工作图：电力电子技术基础工作图：电力电子技术基础工作图：电力电子技术基础工作图频率F0功率转换根据电压(电流)的大小、波形和频率转换分为四种基本转换类型和相应的四种功率转换电路或功率转换器。 这四类基本变换可以组合成许多复合功率变换器，电气工程导论，16、电力电子技术的作用(续)，电力电子变换技术，变换器，逆变器，主要发展方向，高频；控制数字化；大容量，电气工程导论，17，高频软开关技术新控制策略的磁集成，电气工程导论，18，DC-DCDC-交流交流调速：矢量控制和直接转矩控制能量管理，电气工程导论，19，电气工程导论，21，无功功率补偿和谐波控制对电力系统具有重要意义。晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器都是重要的无功补偿装置。近年来，新型电力电子器件如静止无功发生器和有源电力滤波器(在配电网络系统中，电力电子设备也可用于防止瞬时断电、瞬时电压降、闪烁等。以便控制电能质量和提高供电质量。电力电子技术是电力系统现代化进程中的关键技术之一。可以毫不夸张地说，没有电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。电气工程导论，22，电力电子技术的作用(续)，安装在挪威的160毫伏、42千伏无功功率发电机，电力电子设备的软开关技术、高频滤波器和变压器减少体积和重量，电力电子设备的小型化和轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增加。软开关技术降低了开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。电气工程导论，23硬开关，硬开关，1。高开关损耗。当开关接通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；在关断期间，电压上升和电流下降同时发生。电压和电流波形的重叠导致开关损耗，开关损耗随着开关频率的增加而迅速增加。2.当设备关闭时，电路的电感元件感应出尖峰电压。开关频率越高，关断越快，感应电压越高。该电压被施加到开关器件的两端，这容易导致器件击穿。3.当开关器件在非常高的电压下导通时，存储在开关器件结电容中的能量将以电流的形式完全耗散在器件中。频率越高，导通电流的尖峰越大，从而导致器件过热损坏。4.严重的电磁干扰。随着频率的增加，电路中的di/dt和dv/dt增加，导致电磁干扰增加，影响整流器和周围电子设备的运行。电气工程导论，25，软开关：软开关不同于硬开关，理想的软开关过程是电流首先下降到零，电压慢慢上升到关断状态值，因此开关损耗大约为零。由于在器件关断之前电流已降至零，电感关断问题得以解决。理想的软导通过程是电压首先降至零，电流缓慢上升至导通状态值，因此导通损耗接近零，器件结电容的电压也为零，从而解决容性导通问题。电气工程导论，27，电气工程导论，28，电力电子技术的特点。它是从电气工程的三个主要学科(电力、控制、电子)发展而来的一门新的交叉学科。电力电子技术的特点：弱电控制强电的交叉技术；涉及的学科非常广泛，包括：基础理论(固体物理学、电磁学、电路理论)、专业理论(电力系统、电子学、传热、系统与控制、电机与电力传输、通信理论、信号处理、微电子学)和专业技术(电磁测量、计算机模拟、计算机辅助设计)等。用于传输能量的模数转换技术；多学科知识综合设计技术。1974年，美国的纽威尔用一个倒三角形来描述电力电子，这被世界普遍接受。电气工程导论29、电力电子技术的特点(续)、和电子学(信息电子学)都被划分为器件，并且这两个主要分支器件的材料和工艺基本相同。两者采用了相同的微电子技术应用的理论基础和分析方法，并且有着相同的根和根。信息电子电路的器件可以在开关状态或放大状态下工作。一般来说，电力电子电路的器件只在开关状态下工作。两者的应用目的是不同的，电气工程导论，30，与电学的关系。电力电子技术广泛应用于电力工程。高压直流输电电力机车牵引交流/DC输电的静态无功补偿电解、电镀、电加热、高性能交流/DC电源、电力电子技术的特点(续)、电气工程导论、31、与控制理论(自动化技术)的关系。控制理论广泛应用于电力电子系统。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。控制理论是这个界面的一个强有力的环节。电力电子器件是自动化技术的基本组成部分和重要支撑技术。电力电子技术的特点(续)。电气工程专业导论。32.电力电子技术的研究内容。电力电子技术研究内容：功率半导体器件。转换器电路结构和设计：控制和调节；电力电子技术中的储能元件：电子电路的封装和制造：电磁干扰和电磁兼容性；电机控制；电能质量控制。不受控制的和半受控的设备、电流完全受控的设备、电压完全受控的设备、功率集成电路设备的体积减少了3到4个数量级；大功率管的开关时间从毫秒减少到微秒。甚至在低功率下达到纳秒级；工作频率从50赫兹增加到100兆赫。电气工程导论，33，功率半导体器件-电力电子技术的核心，电气工程导论，34，发射极关断晶闸管，电力电子器件的发展历史，电气工程导论，35，电力电子器件的新发展趋势硅基器件趋向于限制材料性能，电气工程导论，36，电力电子器件的工频产品：109-1010 WHZ，新器件结构，新器件材料，发展趋势，电气工程导论，37，电力电子技术的研究内容(续)，通用二极管及其符号，电气工程导论，38，电力电子技术研究内容(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起来的，它不仅可以代替两个极性相反的晶闸管并联，而且只需要一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。它的英文名字Triac意思是三端双向交流开关。，电气工程导论，39，电力电子技术研究内容(续)，GTO及其符号GTO-栅极晶体管，电气工程导论，40，电力电子技术研究内容(续)，VDMOS及其符号VDMOS-垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管，电气工程导论，41，CoolMosTM(英飞凌)使用超结概念来降低导通电阻和栅极电荷。itisanewrevolutionary technologyforpowermosfets。itimplementsacompensionstructureintheverticalflowinregionofmosfeitnordertoimprovethen-state resistance.电气工程导论，42，电力电子技术研究内容(续)，BJT及其符号BJT-双极晶体管，电气工程导论，44，电力电子技术研究内容(续)，IGBT及其符号IGBT-绝缘栅双极晶体管，电气工程导论，45，电气工程导论，46，IGBT电压和电流容限趋势图，电气工程导论，47，电力电子技术研究内容(续)，IGCT及其符号IGCT-集成门极换向晶闸管，电气工程导论，48， 电气工程导论，49、电力电子技术研究内容(续)，根据电能转换的输入输出形式，转换器电路结构和设计可分为四种形式：交流/DC)整流器； DC/DC)直升机；DC/交流)逆变器；交流-交流转换器(交流/交流)交流电压调节器，循环转换器；电气工程导论，50，电力电子技术的功能(续)，交流/DC基本整流电路，电气工程导论，51，DC/交流基本逆变电路，电气工程导论，52，交流/交流直接变频和变换电路，开关电力电子变换器的基本特性，开关电力电子变换器的核心部分是一组开关电路输出，输入侧加法，滤波器，电压和电流周期时间函数V (t)=V (t)和I (t)=I (t)在电力电子变换电路中能够改善输出电压和输入电流波形性能良好的转换器件设计一般应包括功能指标设计、电磁兼容性设计、系统散热设计和结构兼容性设计。电气工程导论，53，电气工程导论，54，电力电子技术研究内容(续)，控制和调节电力电子的所有应用包括控制和调节问题。例如，静态功率转换和控制；静态电源；运动控制、电力电子技术计算机控制与调节、电气工程导论、55、57、58、dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司基于MATLAB/Simulink开发的控制系统开发和硬件在环仿真的软硬件平台，实现了与MATLAB/Simulink的完全无缝连接。DSPACE实时系统具有实时性强、可靠性高、扩展性好等优点。电气工程导论，59，电力电子学研究内容(续)，电力电子学中的储能元件电力电子学中的储能元件包括磁性元件和电容器。电力电子技术中的磁性材料种类越来越多，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。)。电容器是一种与磁性元件耦合的储能和滤波元件。印刷电路板上的平面变压器，电气工程导论，60页，目前电力电子技术基于分立元件的现状，自动化程度低，根据用户和应用要求进行特殊设计，开发周期长，非标准元件多，成本高，成本高，开发周期长，自动化程度低(劳动密集型)，可靠性差，低功率密度限制了电力电子技术在应用领域的推广，电气工程导论，61页，电力电子技术研究内容(续)， 电子电路的封装和制造、电力电子技术的外部需求降低了成本、提高了性能、增加了功率密度、提高了可靠性、改善了可制造性并提高了自动化程度。 电力电子系统集成技术：本世纪电力电子技术的方向发展趋势，电气工程导论，62，电力电子系统集成的概念，电气工程导论，63，摩尔定律标准化模块化集成可制造性卷生产成本降低，电力处理标准模块，信号处理，电气工程导论，64，信号处理，电力处理，输入能量，输出能量，电力电子系统集成：机械制造中类似微电子和SIMS系统集成的大规模集成，以标准化和模块化