第四章 电力电子技术与电力传动

1、电气工程专业导论,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,电气工程专业导论,2,电力电子技术的作用,电气工程专业导论,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,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%。而电能中有40%需要

2、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. 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

3、行机构实现对电能的有效变换。,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。,电气工程专业导论,5,电力电子技术的作用（续）,传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 基本原理 缺点,电气工程专业导论,6,电力电子技术的作用（续）例1,电气工程专业导论,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,电气工程专业导论,8,方案一: 电阻降压,电气工程专业导论,9,方案二: 串联晶体管,电气工程专业导论,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

4、率开关频率,电气工程专业导论,11,方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗,电气工程专业导论,12,电力电子技术的作用（续）,电力电子技术的基本工作框图：,IEEE Transaction ON Industrial Electronics IEEE Transaction ON Power Electronics IET Transaction ON Power Electronics 中国电机工程学报 电工技术学报,电气工程专业导论,13,电气工程专业导论,14,电力电子技术的作用（续）,容量为12kV/1.5kA的晶闸管,电气工程专业导论,15,电力电子技术的作用（续）,电力电子可

5、控开关元件,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,电气工程专业导论,16,电力电子技术的作用（续）,电力电子变换技术,Converter,Inverter,主要发展发展方向,高频化； 控制数字化； 大容量化,电气工程专业导论,17,高频,电气工程专业导论,18,高频 软开关技术,电气工程专业导论,19,硬开关：,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

6、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。,电气工程专业导论,21,软开关：,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

7、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。,电气工程专业导论,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。,电气工程专业导论,24,高频 软开关技术 新的控制策略,电气工程专业导论,25,DC-DC DC-AC 交流调速：矢量控制和直接转矩控制 能量管理,电气工程专业导论,26,高频

8、 软开关技术 新的控制策略 磁集成,电气工程专业导论,28,电气工程专业导论,29,无功补偿和谐波抑制(VAR Compensate and Harmonic Control)对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（Thysistor Controlled ReactorTCR）、晶闸管投切电容器（ Thysistor Controlled CapacitorTSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（Static VAR GeneratorSVG）、有源电力滤波器（Active Power FilterAPF）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（VAR an

9、d Harmonic Compensate）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。,电气工程专业导论,30,电力电子技术的作用（续）,安装在挪威的160Mvar、42kV的无功发生器,电气工程专业导论,31,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。,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,电气工程

10、专业导论,32,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,电气工程专业导论,33,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）,电气工程专业导论,34,与电力学的关系,电

11、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）,电气工程专业导论,35,电力电子技术的特点（续）,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。,电气工程专业导论,36,电力电子技术的研究内容,电力电子技术的研究内容： 电

12、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； 电力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。,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；,电气工程专业导论,37,电力半导体器件电力电子技术的核心,电气工程专业导论,38,发射极关断晶闸管,电力电子器件的发展历史,电气工程专业导论,39,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,电气工程专业导论,40,电力电子器件的功

13、率频率乘积 (fP)：109 - 1010 WHz,新的器件结构 新的器件材料,发展趋势,电气工程专业导论,42,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（Gate Turn Off Thyrisor ）、 VDMOS( Vertical Double Diffusion Mosfet )、 BJT( Bipolar Junction Transistor )、 IGBT( Insulated-Gate Bipolar Transitor )、IGCT( Insulated-Gate Commutated Thyriso

14、r )等。,二极管及其符号,电气工程专业导论,43,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。,看一看：调光灯电路,内部电路实物示意图,电路组成框图,电气工程专业导论,45,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,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）也是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。,电气工程专业导

15、论,46,电力电子技术的研究内容（续）,BJT及其符号 BJT双极晶体管,GTR是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管。电流驱动型全控器件 。 开关速度比GTO快，但电压电流容量比GTO小。 GTR的结构：GTR通常采用多单元并联集成工艺的达林顿（Darlington）复合结构，可以有效地增大电流增益。比如两级复合的达林顿管，=12。,电气工程专业导论,48,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,电气工程专业导论,50,CoolMosTM (Infineon) 采用Super-Junction概念 减小导通电阻 降低门极电荷,CoolMos,

16、两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的特点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但高压器件导通电阻较大，通流能力受限。由于MOS器件发展遇到了提高电压与降低导通电阻、降

17、低损耗的尖锐矛盾，RCA、GE、MOTLOLA公司在80年代初期几乎同时研制出了IGBT。,电气工程专业导论,53,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,电气工程专业导论,54,IGBT的特性和参数特点,开关速度高，开关损耗小，但是IGBT的关断速度比MOSFET要低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。 通态压降比VDMOSFET低。 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。,电气工程专业导论,56,IGBT电压电流耐量趋势图,功率模块与功率集成电路,20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封

18、装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。,基本概念,功率模块与功率集成电路,高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power M

19、oduleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。,实际应用电路,功率模块与功率集成电路,功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。,发展现状,电气工程专业导论,60,电气工程专业导论,61,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

20、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；,电气工程专业导论,62,电力电子技术的作用（续）,AC/DC基本整流电路,电气工程专业导论,63,DC/AC基本逆变电路,电气工程专业导论,64,AC/AC直接变频、变压电路,开关型电力电子变换器的电路演化实例,电气工程专业导论,65,开关型电力电子变换器的电路演化实例,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

21、、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。,电气工程专业导论,67,功能指标设计:主要要满足输出电压（或电流）和功率的指标。同时，为了使装置能正常和可靠地工，还要缜密地考虑其他一些显性和隐性的功能指标，如各种保护等。 系统散热设计:散热设计包括对散热介质、散热路径和散热器热阻的设计计算。良好的设计不仅散热效果好，而且散热系统简单。（自冷式散热器、风冷式散热器、水冷（油冷）式散热器、热管散热器） 结构亲和性设计:不仅外表美观宜人、结构紧凑、便于测试和

22、装卸，而且具有功能分区设计、模块化设计和子系统集成设计等内容。,电气工程专业导论,68,电气工程专业导论,69,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,电气工程专业导论,70,电气工程专业导论,72,电气工程专业导论,73,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

23、好等优点。,Matlab/dSPACE 集成开发环境,电气工程专业导论,75,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,磁性材料,广泛应用于铁芯制造的材料可分为两大类：含铁合金和铁氧体。 含铁合金为铁和其它元素如硅、钴、镍、钼、铬的合金，主要成分为铁。 铁氧体是Fe2O3以为主成分的亚铁磁性氧

24、化物，铁氧体材料具有高的磁导率、低的饱和磁通密度，因此铁氧体应用于高频场合。,磁性材料形状,1、罐型,2、EE 型 EI型,PQ 型 环型 磁芯选用主要考虑以下参数：有效磁路截面积、绕线窗口面积、有效磁路长度 、磁芯散热特性、磁芯屏蔽特性 、器件安装、骨架、磁芯成本。,电气工程专业导论,80,电容器,电解电容图片,贴片电容、云母电容、独石电容,钽电容,电容器分类,1) 直流电容器：用于直流电压下工作，如有极性的电解电容，大多数固定电容； 2) 交流电容器：用于给定频率范围内的电路； 3) 脉冲电容器：用于脉冲工作条件下间歇充放电。 1) 固体有机介质电容器 2) 固体无机介质电容器 3) 电解

25、电容,电容器分类,1) 调谐电容器 2) 隔直流电容器 3) 旁路（去耦）电容器 4) 滤波电容器 5) 储能电容器 用于高频旁路的电容：陶瓷电容器 用于低频旁路的电容：铝电解电容器 用于滤波的电容：铝电解电容器、钽电容器,超级电容,超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(Electrical Doule-Layer Capacitor)、法拉电容，即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。 超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既

26、具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。,.电容量大，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 .充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次， .可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 .可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎

27、不可能。 .可以在很宽的温度范围内正常工作（-40-+70）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。 .超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池多具有毒性。,超级电容的特点,超级电容应用领域,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,电气工程专业导论,91,电力电子技术的研究内容（续）,电子电路的封装与制造,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

28、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,电气工程专业导论,92,电力电子系统集成概念,电气工程专业导论,93,摩尔定律（Moores Law） 标准化 (standardization) 模块化 (Modularization) 集成化 (Integration) 可制造性 (Manufacturability) 大量生产 (Volume Production) 降低成本 (Cost Reduction),功率处理 标准模块,信号处理,电气工程专业导论,94,信号处理,功率处理,输入能量,输出能量,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

29、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,电气工程专业导论,95,电力电子标准模块,电气工程专业导论,98,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,99,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,100,IPM,电气工程专业导论,101,电气工程专业导论,103,电力电子应用

30、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）,电气工程专业导论,104,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,电力电子装置EMI/EMC特点,作为工作于开关状态的能量转换装置，电力电子装置的电压、电流变化率很大，产生的干扰强度大； 干扰源主要集中在功率开关器件及与之相连的散热器和高频变压器，相对于数字电路

31、干扰源的位置较为清楚； 开关频率较高(从几千赫兹到数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导干扰； PCB走线通常采用手工布置，具有较大随意性，增加PCB分布参数的提取和干扰预估的难度。印制电路板布线不当也是引起电磁干扰的主要原因； 电力电子装置的干扰源阻抗与网侧阻抗难以匹配，而且是随阻抗变化的，EMI滤波器设计有一定困难。同时EMI滤波器中的LC元件必须承受很大的无功功率，不但降低了电源的整体效率，也增大了体积。,电气工程专业导论,106,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

32、大类。,交流电机及其矢量控制调速变频器,电气工程专业导论,107,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。,采用SVC、DVR和APF的电能质量控制示意图,供电质量：其技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质量。包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。 用电质量：包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。,电压质量：是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。这个定义能包括大多数

33、电能质量问题，但不能包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。 电流质量：反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。,电气工程专业导论,111,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）

34、、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,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。,1.灵活交流电传输技术FACTS,通过控制电力系统电压、阻抗、相位、有功功率和无功功率等基本参数来灵活的控制潮流，突破静态稳定极限，使传输容量更接近线路的传输极限，提高传输容量。,作用与工作原理,定制电力技术（Customer Power）,又称DFACTS,动态电压恢复器：抑制配电系统的电压扰动对敏感负荷的影响。,静态无功补偿器

35、：提高配电系统的电压稳定水平,有源滤波器：消除用户侧谐波。,采用SVC、DVR和APF的电能质量控制示意图,（a）APF未接入系统时工作波形,（b）APF接入系统时工作波形,有源滤波器,无 功 补 偿 器,电气工程专业导论,120,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；,开关电源的实物外形：,开关电源的原理及功率损耗 开关电源结构：包括输入整流滤波器、高频变换器、高频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路

36、等。 优点：体积小、重量轻、效率高、可达7595。,开关电源基本原理： 交流电源输入经整流滤波成直流，再将直流电压逆变成高频交流电压，由高频变压器进行降压（或升压），再经过高频整流滤波得到希望输出的直流电压。 输出电压通过采样电路反馈给控制电路，并将其与基准电压比较放大，去控制高频变换器功率管的脉冲宽度，以达到稳定输出电压的目的。 开关电源克服了线性电源的不足。(工频变压器、放大状态) 开关电源整机效率一般在75%95%,开关电源与线性电源的性能比较,电气工程专业导论,125,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

37、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；,126,电动汽车的驱动与控制 1电动汽车的驱动系统组成 电动汽车驱动系统，主要由电力驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成。如图所示。图中双线表示机械连接，粗线表示电气连接；细线表示控制信号连接；线上的箭头表示传输方向。 驱动系统是电动汽车的核心，也是与内燃机汽车的最大不同点。 一般地，驱动系统由电子控制器、功率变换器、驱动电动机、机械传动装置及车轮等部分构成。 驱动系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。

38、,127,电动汽车驱动系统类型 电动汽车驱动系统类型是以驱动电机进行分类的：,128,A. 直流电动机驱动系统 早期的电动汽车，广泛采用直流电动机。 为了调速，在蓄电池组与电机之间须加入DC/DC变换器。 DC/DC变换器有多种类型。一般要求电压调节范围较宽，驱动电流较大，并同时要求能满足电动机正、反转及发电回馈的控制，即电路具有相应的四象限控制功能。 DC/DC变换器常用器件有晶闸管、功率晶体管和IGBT。 调速方式： 脉宽调制（PWM）调速驱动方式。 缺点：由于直流电动机存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大等缺点，随着电动机控制技术的发展，正在逐渐被替代。,129,交流感应

39、电动机驱动系统 交流电动机优点：与直流电动机相比，具有效率高、体积小、质量轻，免维护、坚实可靠、易冷却、寿命长、能更有效地实现再生制动等优点。,用交流电动机，直流电源必须经DC/AC变换为三相交流电源，但逆变器的控制较复杂。 右图所示为采用交流感应电动机的控制系统。,130,131,C. 无刷直流电动机驱动系统 无刷直流电动机，是目前应用最广泛的电动机，许多世界知名公司的电动汽车都采用了无刷直流电动机驱动系统。 无刷直流电动机与其他电动机相比具有几个明显优点： 没有电刷，利用电子换相，克服了由电刷引起的问题，弥补了传统直流电机的不足，而性能可以与直流电机相媲美； 永磁体安装在转子上，电枢绕组装

40、在定子上，导热性能好； 结构简单，节省了空间，使其磁场损失也得到了减少； 它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、振荡等现象。,132,电力电子在混合动力汽车中的应用实例 这里以2003 年丰田推出的新一代普锐斯Prius为例简介。 该车也被称为新一代丰田混合动力系统-THS-，节能效果可达到100km 油耗不足3L。,变频器,133,Prius THS-中整车电气系统结构如图。 整车电气驱动系统主要包括高效发动机、永磁交流同步电动机、发电机、动力分配装置、高性能镍金属氢化物(Ni-MH)电池、功率控制单元以及其他相关管理控制单元等部件组成。,Prius THS-整车电气系统结构,134

41、,丰田混合动力系统的功率控制单元(PCU)由逆变器、升压转换器、电控单元与DC-DC转换器组成，电路如图。,图 Pr ius THS-的功率控制单元的结构,Prius THS-功率控制单元外形,电气工程专业导论,135,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；,日光灯：（带铁心镇流器） 工作原理：接通电源后，启动器辉光放电，双金属片受热弯曲，触点接通，将灯丝预热；随后辉光停止，双金属片冷却，触点又断开，镇流器感

42、应出高电压，灯管击穿放电，开始正常工作。 启动器相当一只自动开关，能自动接通电路（加热灯丝）和开断电路（使镇流器产生高压，将灯管击穿放电）。,正常工作时，灯管两端的电压较低（40W的约110V， 20W的约60V），该电压启辉器不会产生辉光放电。 日光灯耗电多的原因： 一是：大多电压降落在镇流器上，镇流器发热严重。 二是：镇流器串联在电路中，电感量较大，因而整个电路的功率因数很低。（约0.5左右） 为提高功率因数，可在日光灯的进线端并联电容器。 （40W并联4.75F/450V ， 20W并联2.5F/450V ） 近年来，电子镇流器的出现，较好地解决了这个问题。,电子镇流器：问世于80年代初

43、，由荷兰飞利浦公司首先研制成功. 是一个由电力电子器件构成的AC/DC/AC变换器。 1）节能。工作频率2060kHz，灯管光效比工频提高约10%；自身功耗低，发热少。 2）消除频闪，发光稳定，有利于保护视力。 3）功率因数高。普通的功率因数约0.70.8。符合国家标准的25W以上的，其功率因数高于0.95 。,电子节能灯：（正大力推广） 又叫紧凑型荧光灯，1978年国外厂家发明，我国1982年，首先在复旦大学电光源研究所研制成功 我国已经把它作为国家重点发展的节能产品（绿色照明产品）推广和使用。 工作原理 与前面电子镇流器基本相似，但功率小。,LED光源： （第四代照明光源、绿色光源、正大力

44、推广 ） 美国从2000年起实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。 我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。 预计未来，LED将引起照明领域的巨大变革，对绿色照明实施产生重大影响。,LED灯具、LED灯带及LED景观灯,1.5 电力电子技术与节能,LED灯特点：节能、环保、寿命长、体积小等，可用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等。 高效节能：相同照度下，电能消耗仅为白炽灯的1/10，电子节能灯的1/4。冷光源，自身几乎不发热。 超长寿命：半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿

45、命可达五万小时。 发光效率高：90%的电能转化为可见光，普通白炽灯仅有15%电能转化为光能。 健康、绿色环保、保护视力：光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射；不含汞等有害元素；不会频闪。,一款实用的LED灯恒流驱动电路：,滤波,整流,功率因数校正,功率变换,电流检测及反馈,电气工程专业导论,143,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,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

46、，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。,电力传动概况,人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效果，在很多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

47、密、特种调速传动四大类。,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。,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

48、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。,什么是电力拖动系统 采用电机作为动力源拖动生产机械运动，由此组成的系统 即为电力拖动系统,典型电力拖动系统的组成框图,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。,典型的电力传动系统框图,直流电机传动,直流电机，既可作发电机用，又

49、可作电动机用。 通以直流电而产生转动机械能的运行方式为直流电动机工作方式； 施加转动机械能而发出直流电的运行方式为直流发电机工作方式。 直流电机传动主要是电动机运行方式，即通以直流电，使电机按照要求输出转矩和转速。直流电机传动在制动时，电机可以是发电机运行方式，发出直流电，把旋转机械能变成电能回馈到直流电网中。,电气工程专业导论,152,电力传动概况（续）,1、直流电机传动,电气工程专业导论,153,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,电气工程专业导论,154,电力传动概况（续）,DC/DC整流：,图4-

50、30 地铁列车DC/DC直流斩波器 （a）DC/DC 斩波调压 （b）Ua波形,电气工程专业导论,155,2、交流电机传动,图4-31 DC/AC逆变器驱动交流电机,电气工程专业导论,156,单相逆变器,电气工程专业导论,157,三相逆变器,图4-33 三相逆变工作原理图,电气工程专业导论,158,脉宽调制技术,PWM（Pulse Width Modulation）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,159,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

51、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）,160,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,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。,电气工程专业导论,161,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,交流电机是多变量、强耦合的模

52、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。,电气工程专业导论,163,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,电气工程专业导论,165,电气工程专业导论,166,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

53、流电流 im 和 it 。,电气工程专业导论,167,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,电气工程专业导论,170,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,电气工程专业导

54、论,171,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（Vector Control System），控制系统的原理结构如下图所示。,电气工程专业导论,172,矢量控制系统原理结构图,矢量控制系统原理结构图,电气工程专业导论,173,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

55、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。,设计控制器时省略后的部分,电气工程专业导论,174,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。,电气工程专业导论,175,电气工程专业导论,176,3、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,电气工程专业导论,177,三相永磁同步电机（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,电气工程专业导论,178,同

56、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,电气工程专业导论,179,谢谢大家！,Thats all,电气工程专业导论,180,4.1 Role of Power Electronics 4.2 Features of Power Electronics 4.3 Research Topics on Power Electronics 4.4 Main Applications of Power Electronics 4.5 Develo

57、pment Trends of Power Electronics 4.6 General introduction to Electric Drives,Chapter 4 Power Electronics and Electric Drives,电气工程专业导论,181,There is nearly 40% of the power converted by power electronic converters, while electric power accounts for about 40% in world energy use. Power electronics def

58、ined by IEEE as follows: Power electronics (PE) 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. In a word，its a technology that convert a raw form of power so

59、urce to a desired form by using electronic device as the switch, that is, power conversion. Combination of electronics, power, and control, the power electronics deals with efficient power conversion based on control theory, computer tools, and electronic switches.,4.1 Role of Power Electronics,电气工程专业导论,182,Basic Block Diagram of Power Electronic circuit：,power in,power out,control,Load,converter,电气工程专业导论,183,12kV/1.5kA, thy