电力电子与电动机

目录1电力电子学为什么很重要？

2电力电子学的应用

3电力电子学与新能源应用

4电力电子技术的演变

5电力半导体器件的发展

6也力电,子变换器的发展

7传动用电机的发展

1〜3、（略）

4电力电子技术的演变

电力也子技术的发展阶段：

汞弧变换器

充气管电子技术

磁饱和放大器

♦

电力半导体器件电子学

（现代新纪元）

功率半导体器件、、控制硬件和软件

变换器拓扑/'预测与控制技术

分析与仿真技术

电力电子和电机传动发展历史上的若干重要事件

I1897年开发了三相二极管桥式整流器

I1901年petercooperhewitt演示了玻隔壳汞弧整流器

I1906年kramer传动问世

I1907年scherbins传动问世

I1926年热阴极间流管问世

I1930年纽约地铁安装了用于直流传动的3mw栅控汞弧整流器

I1931年德国铁路上引入了汞弧周波变换器，用于电动机牵引传动

I1934年充气闸流管周波变换器一同步电动机（400马力）安装于洛根发包站，用于引风机

传动（第一次实现交流变频传动）

I1948年贝尔实验室发明了晶体管

I1956年硅功率二极管问世

I1958年商用半导体晶体闸流管（scr）由通用电气公司引入市场

I1971年矢量控制（或磁场定向控制）问世

I1975年日本东芝公司籽大功率的bjt引入市场

I1978年ir公司将功率moseet引入市场

I1980年大功率的gto在日本问世

I1981年二极管箱位的多电平逆变器问世

I1983年igbt在通用电气公司问世

I1983年空间（电压）矢量pwm技术问世

I1986年直接转知控制技术（dtc）问世

I1987年模糊逻辑首次应用于电力电子

I1991年人工神经网络被应用于直流电动机传动

1996年abb公司将正向阻断型igct引入市场

5电力半导体器件的发展

I二极管（1955）

AHX-C

I晶间管（1958）

I双向晶间管（triac）（1958）

I门极可关断晶网管（gt。：）（1980）

I绝缘栅双极晶体管(igbt)(1985)

I静电感应晶体管(sit)(1985)

I集成门极换流晶晶管(igct)(1996)

I碳化硅器件

器件功率一频率趋势如图3所示。

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POWER

MOSFET-

TRIAC

104

SWITCHINGFREQUENCY(Hz)

igbt概述

I自1983年问世之后发展得非常快

I简单的结构一简单的加工过程

I不对称的和对称的阻断型器件均已问世

I可构成灵巧功率集成电路（smartpower）

I市场化器件达3500v,1200a（6.5kv和10kv器件已在测试中）

I智能功率模块达到120Cv,800a（供250马力电动机用）

I具有方形安全工作区一无吸收缓冲器运行的优点和绿点

I具有沟槽栅的第四代igbt器件（通态压降有可能降低一半）

I在大功率条件下，pwm开关频率可达1khz

I在三电平逆变器中逆变器容量可达1mw或更高

iget概述

I1996年由abb公司引入的器件

I电流控制型器件（即硬驱动的gt。，关断电流增益b=1）

I驱动器做在模块上

I反并联二极管做成一体式

I市场化器件达6500v,4000a（10kv器件在测试中）

I不对称的和对称的阻断型器件均已问世

I有可能串一并寐运行

I可带或不带缓冲器运行

I在1khz频率下通态压降低于igbt

I对大功率应用是非常有发展前景的器件

电力半导体器件的进展和发展趋势

I现代电力电子技术的进步主要地是跟随着电力半导体器件的进步，而它又是随着微电子技

术的发展而进化的

I相位控制类器件（晶间管、双向晶间管）逐步过时

I绝缘栅控制类器件（igbt、功率mos场效应管）占有越来越大的优势

I功率mos场效应管将在低电压高频化场合保持广泛的应用

Igto将逐渐过时（较低的功率被igbt取代，较大的功率被igct取代）

I对较高电压的mosfet和高电压的igbt,导通压降正日益降低

I碳化硅器件将给大功率电力电子技术带来更新的面貌一更长期地则是金刚石器件

6电力电子变换器的发展

变换器分类

Iac一de:整流器

n二极管整流管

n晶间管相控整流器

npwm（电压源或电,流源）整流器（硬开关或软开关）

Ide-de：斩波器

npwm控制（升压型、降压型、升降压型）

n带谐振环节

n带准谐振环节

Ide—ac:逆变器

n晶间管相控逆变器

npwm（电压源或包流源）逆变器（硬开关或软开关）

Iac-ac:交流控制器（同须率）、周波变换器（变频率）

n晶间管相控控制器（交流调压、调温、调光）

n有直流环节（电压源或电流源）的变频器（硬开关或软开关）

n有高频环节（电压源或电流源）的变频器

n矩阵式交一交变频器

揄电线路电力品质问题和谐波标准

I在公用电网中二极管和晶同管变换器会有很大增长

I包网电压的谐波畸变

I电网功率因数差

I电磁干扰问题（emi）

I输业线路和用电设备两侧产生负载谐波也流

I对通讯的干扰

I测量仪表误差（非正弦、非线性）

I杂散参数引发的线路谐振

Iieee519标准一共输入点的谐波畸变控制

IieeelOOO标准一各自设备的谐波畸变控制

交流传动变频调速系统

I交流传动用电压源逆变器系统的进步与发展（图4）

(b)Double-Sided2-levelPWMConverters

(c)Double-Sided3-levelPWMConverters

I交流传动用电流源逆变器系统的进步与发展（图5）

(a)ThyristorRectifier-loadconnectedinverter

WFSM/IMdrive

ASCI

(b)Thyristorrectifier-auto-sequential

commutatedinverter

J

—i

.T

T

J_i

-T—

L丁

(c)Double-SidedPWMConverters

用于电网补峰调节的蓄电也储能18级gt。变换器（图6）

o±-------0°(LEADINGINV)(RETARDEDINV)

BATTERY

VOLTAGE

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GAPGBPGCPTilGAPGBPGCP

LA

士CDLBRB

TI3

LC

GANGBNGCN

20°(LEADINGINV)(RETARDEDINV)

GAP

LA

”f「T22

*COLBRB

GBN

4。。(LEADINGINV)(RETARDEDtNV)

10mw容量铅酸蓄电池储能系统被ge公司安装在南加利福尼爱辿生电网中（1988）

在非峰时间里储能而在需要峰值功率时发出电能

还可以作静止无功补偿器在电网上运行

能够控制电网电压和频率

能够改善系统的稳定性

通过h桥来控制三相6Chz电压幅值和相位角

三相h桥相移耦合、电压提升与绝缘隔离可以通过60hz变压器完成

I在60hz运行时gt。开关频率低

I变换器效率高（97%）

300mw双边（50hz/60hz）背靠背电力系统联网的gt。变换器系统（图7）

（S）~।

8

0,50HzSystem

275kV

66kV500kV

66kV/53MVA10.6kV53MVA275kV/

4.6kV4.3kV

人

16mFOPP

人阻罔人

国人

人羽

xfe

53MVA

66kv/4.6kV

UI

人U2

4GTOsJU3

人招IU4

人组―一N

人卑一WV

6kV-6kA

GTO275kV

60HzSystem

®—1T0—1

I三端高压直流(hvdc)输电的背靠背联网系统

I将两个66千伏、50赫兹的终端和一个275千伏、60赫兹的终端相连接

I每一个变换器都发出9脉波正弦同步pwm波

I近于正弦的电网电流可以提供单位功率因数、超前或者滞后功率因数用于系统的无功控制

I4个gto(6000v,6000a)串联，带有再生反馈吸收缓冲器，以提高变换器的效率

Igto可以用iget代替。

I为了避免器件的串联带来的动态均压等问题，可以采用多电平pwm调制或阶梯波变换器

用于也气化铁路的48mva静止无功功率发生器(图8)

Transmission

Une

I1995年富士公司为日本新干线铁路系统装备了电压源型、移相控制的多阶梯波无功补偿

装置。

I可以调整交流母线电压在±2%之间，并可补偿由于单相负载运行造成的线电压不平街

I可提供从20mva的滞后无功到48mva的超前无功容量

I36脉波的阶梯波输出，其幅值和相位均可控

I每个h桥臂上都只用单个逆导型gto(4500v,3000a)

带有二极管充电器的变压器可对电容器预充电，使其直流电压调整在±10%用

I有14mva容量的网侧容性谐波滤波器

I高效率(可达97%)

电力电子变换器的进展和发展趋势

I电力品质和滞后功率因数问题使相控型变换器逐步过时而淘汰，并推进了脉宽调制(pwm)

型变换器的应用

I综合考虑整体优缺点指标，电压源型变换器优于电流源型变换器

I双向能量流动的双侧电压源gto/igbt/igct三也平pwm变换器正在替代大功率相控型变换

器和交一交周波变换器

I多电平多阶梯变换器将广泛应用于电力系统中

I空间电压矢量pwm控制方案将被广泛接受

I用于电机传动的软开关变换器还没有显示出任何应用前景

I电力电子变换技术已经接近于达到饱和成熟的程度

I未来的重点将是在集成化封装和设计自动化方面

7传动用电机的发展

传动用电机分类

(1)直流电机:他励式、并励式、串励式、复励式。

(2)交流电机

(a)感应电机：(旋转式或直线式)鼠笼式

绕线转子式或双馈式

(b)同步电机：(旋转式或直线式)绕线磁极式(wfsm)

磁阻式(syrm)

永磁式(pmm)

永磁同步电机分为：径向电机、轴向电机和盘式电机

径向电机又分为：表面式和埋式

表面式又分为：梯形波（永磁无刷直流电机）

正弦波（永磁同步电机）

（C）可变磁阻式电机（旋转式或直线式）：开关磁阻式

步进式

业机的进展和发展趋势

I电机的发展很缓慢，已持续了100多年

I先进的cad程序和材料的改进使电机具有更低的成本、更高的效率、可靠性得以改进、功

率密度得以提高

I直流电机在未来将逐渐被淘汰

I鼠笼式感应电动机将在很宽的功率围保持为工业界的主力电机

I绕线磁极式同步电机在大功率使用场合仍然很受欢迎

I永磁同步电机虽然效率高但是成本也很高，它们在生命周期费用中优于感应也机

I从长远来看大多数的电机（不论是恒速还是变速电机）都将会带有前端变换器

I带有集成变换器和集成控制器的智能电机看来在将来有非常好的发展前景

感应电动机传动的发展

（1）感应电机的M要分类

I恒频定子电压控制

I电压源型pwm逆变器传动

I电流源型逆变器传动（6阶或pwm）

I周波变换器传动

I转差功率回馈型传动系统

n静•止的克拉默(kramer)传动

n静止的尔必斯(scherbiLS)传动

(2)感应电机高性能调速方法

伊丽莎白2世女皇号游船用的柴油发电一电气推进系统：图9)

44MW,0-144RPM

50-POLE

本

5NO.

10KV"Wo-

60Hz

DIESELCROSS3.3KV

GENERATORS/COUPLING

CBS

2VARIABLE

PITCH

PROPELLER

4NO.I1

10.5MWQ.9PF

400RPM-<ZD

POSITION

介ENCODER

MODE

CONTROL

I9台柴油发包机组一10.5mw,功率因数0.9,10kv,60hz,400r/min（每台参数）

I2台绕线磁极同步电动机，外加直流有刷励磁机一44im,0~144r/min,50极，单位功率

因数（每台参数）

I6脉波整流器和6脉波负载换流逆变器系统

I电动机由电力电子变换器启动，在达到全速时（144r/min）、切换到由60hz电网供电

I启动时变换器的直流电流（＜10舟转速）为断续模式，不过在较高速度下为反电势负载换向模

式

I螺旋桨推进器可变节距以控制负载转矩

I通过变换器的推进速度围为72144r/min

I在再生状态下速度可反转

I速度控制是由id电流控制环来实现的

I满载效率：发电机97.3%,电动机98%

采用周波变换器一绕线磁极同步电动机传动的破冰船柴油发电一电气推进系统（图10）

DIESELPOWEREODIESELPOWEREDDIESELPOWERED

ALTENATORAUTENATORALTEMATOR

6250KVA625OKVA6250KVA.

4160M60HZ4160V,60HZ4160V,60HZ

416。VOLTRUS

OTHER

LOADS2-4000KW2-40CXXVA

4I6Q/1200V4I60/I200V

UUUUALUJJWJJAULW

rrrp©qrrpYYY

PORTSTARBOARD

CYCLOCONVERTERCYCLOCONVERTER

3-1200V,I875A3-1200V；I875A

SYNCHRONOUSMOTOR

8000HP,145/IOORPM

O-IOHZ

I加拿大ge公司为圣劳伦斯河破冰船建造的

I在柴油引擎冏定转速下母线电压是恒定的(4160v,60hz)

I由36个晶闸管组成6脉波无环流模式周波变换器

I带位置传感器的自控式绕线磁极同步电动机(wfsm)传动(8000马力，12极，0-180r/min,

0~18hz)

n无刷励磁

n速度可反转，但不带再生

n电机的dpf（畸变功率因数）为1

n采用定子磁场定向的直接矢量控制

n在低速下为电流模式预测磁通矢量，而在高速时为电压模式预测

n采用预测前馈反电势注入实现瞬时相电流控制

I在具有梯形电压波的弱磁模式下采用标量控制

用于矿石破碎机的12mw双周波变换器同步电动机传动系统（图11）

1.3KVPINION

CYCLO

WFSM

丫RING

丫GEAR

33KV▽

60Hz

DRUM

燃

CYCLOPINION

6MW,1.95KV,8-POLE

0-225RPM

WFSM

用于变速水轮发电机与泵式储能系统的400mw尔必斯（scherbius）传动（图12）

PowerSystem

60Hz500kV

18kV

CollectorRing

Cycloconverter

72MVA

Generator/Motor

400MW

Stator

PumpTurbine

(Francistype)

I安装在kansai电力公司的ohkawachi工厂的世界上第一台也是仅有的一台变速水泵式发

电机

I400mw采用转差功率按副的尔必斯传动

I采用变水头提高