电力电子与电动机.docx

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电力电子变换器的发展7传动用电机的发展13、（略）4也力电子技术的演变电力电子技术的发展阶段：汞弧变换器I充气管电子技术磁饱和放大器I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也力也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演示了玻璃壳汞弧整流器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）安装于洛根发电站，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年商用半导体晶体间流管（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年日本东芝公司将大功率的bjt引入市场I1978年ir公司将功率moseet引入市场I1980年大功率的gt。在日本问世I1981年二极管箝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年直接转矩控制技术（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iget引入市场5电,力半导体器件的发展I二极管(1955)aH>HcI晶闸管(1958)I门极可关断晶间管(gto)(1980)I功率mosfet(1975)I绝缘门极双极性晶体管（1985）UJDI绝缘栅双极晶体管(igbt)(1985)I静电感应晶体管(Sit)(1985)器件功率一频率趋势如图3所示。108I酎敏张今华敝政像。备够够多俗，凌曾殄布爹爹笏独舞舞笏奥舞：夕；乡-<'，""，"，委再卷金金冬吟做能制冬彰第麴飨,般彩多多易毒鲂梦笏舞舞电分爹骞卷>"""'"ZZZt冬冬备冬冬弊勿够咨弊4*、睢备粉粉冷蝴粉赞鼎粉斛冷岛舞等殄多多修畛殄殄务修物殄笏缪燮,，/-.TISJIGTO兀“夕夕Z,"夕夕"Z"i，务警脩今今冬也够留冬8华软多"名，身“修修养,嗽笏秀才晚殄金分:夕力乡乡么勿勿乡乡为“勿多勿勿酷勿,'.'''""I津峰级劣g峥依张赣敏翁金歌Hr。彩图为承鲂窈窈次第彩勃易多物.，,.，.I修女峰今冬堂修欷第,幸窿余多穹番够)*倏我分分费爹布给拿第殄套卷第.-,.，.,-'THYRISTORTRIACigbt概述IGBTIPMSWITCHINGFREQUENCY(Hz)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IOkV器件已在测试中）I智能功率模块达到1200v,80Oa（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缺点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IkhZI在三电平逆变器中逆变器容量可达ImW或更高igct概述I1996年由abb公司引入的器件I也流控制型器件（即硬驷动的gto,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,400Oa（IokV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有可能串一并联运行I可带或不带缓冲器运行I在Ikhz频率下通态压降低于igbtI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，而它又是随着微也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也力电子变换器的发展变换器分类Iacde: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（电压源或电流源）逆变器（硬开关或软开关）Iacac:交流控制器（同频率）、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输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闸管变换器会有很大增长I电,网电压的谐波畸变I电网功率因数差I电1磁干扰问题（emi）I揄电线路和用电设备两侧产生负载谐波电流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标准一共揄入点的谐波畸变控制Iieee1000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*:il(Q)ThyrIstorRectifier-IdconnectedinverterWFSM/IMdriveASCI(b)Thyrlstorrectifier-UtosequentialcommutatedinverterI-LT-LTil(cj Double-Sided PWM Converters用于电网补峰调节的蓄电池储能18级gt。变换器（图6）o±BATTERYVOLTAGEOo (LEADING INV)(RETARDED INV),1 TllGBPGCPGAPCDGANGANZ20 (LEADING INV)GAP LA %tT2 Lc>CFHl-(Retardedinv) yGAP GP GCP J2l GAP GBP GCPgapLA*CD400 (LEADING INV)'RBGAN(RETARDED tNV)GAPLA CD>5,ACT23TI3TI2T22T32OT333l10mw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60hz电压幅值和相位角三相h桥相移耦合、也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（50hz60hz）背靠背电力系统联网的gto变换器系统（图7）<©275kV66kV53mva4.6kV人53MVA66kv4.6k卅人3Sa66kV50HzSystem500kV10.6kV53MVA275kV/W4AkvW6kV-6kAGTO16mF人AU白人UlU24GTOsJU34NV275kV60HzSystem©1I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,600Oa)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电气化铁路的48mva静止无功功率发生器(图8)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衡I可提供从20mva的滞后无功到48mva的超前无功容量I36脉波的阶梯波揄出，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也，使其直流电压调整在±10%围I有14mva容量的网侧容性谐波滤波器I高效率(可达97%)电力也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三电平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）：开关磁阻式步进式电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电机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）感应电机的主要分类I恒频定子电压控制I电压源型PWrn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(SCherbiUS)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)5NQ.DIESELGENERATORS10KV60Hz4NO.Id10.5MW10.9PF400RPM)44MWol44RPM50-POLECROSSCOUPLINGCBS-0)介z)-3.3KVPOSITIONENCODERVARIABLEPITCHPROPELLEReMODECONTROLI9台柴油发电机组一10.5mw,功率因数0.9,10kv,60hz,400rmin（每台参数）I2台绕线磁极同步电动机，外加直流有刷励磁机一44mw,0144rmin,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1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%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72144rminI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）DIESELPOWEREDDIESELPOWEREDDIESELPOWEREDALIENATORAurENAToRALTENATOR6250KA6250KVA6250KVA.SYNCHRONOUSMOTOR,80HP,145/100RPM()K_O-IOHZSYNCHRONOUSMOToR片、.8000HP,I45IRPM(KFO-IOHZV2JzABRUSHLESS'JEXCITERJBRUSHLESSA>EXCITERWI加拿大ge公司为圣劳伦斯河破冰船建造的I在柴油引擎固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，0-180rmin,018hz)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1n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）YYWFSMYY1.3Kw67CYCLO33KV60HzRINGGEARPINIONZlDRUIVPINION6MW,1.95KV,8-POLE0-225RPMWFSM用于变速水轮发电机与泵式储能系统的40OmW尔必斯（SCherbiUS）传动（图12）Power System 60 Hz 500 kVCycloconverter72 MVARotor - (Cylindrical)Geoerator/Motor4 MWCollector RingStatorPump Turbine (Francis type)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变速水泵式发电机I40OmW采用转差功率控制的尔必斯传动I采用变水头提高效率3.0%I晶闸管周波变换器n无环流模式n-5.Ohz到+5.Ohz频率控制rd2脉波，72mvaI感应电机：n20极n同步速为360rmin,电机转速在330390rmin围n定子电流可以超前或滞后I500kv,60hz电力系统，可以有超前或滞后的功率因数用于轧钢机的IOmVa三电平变流器绕线磁极同步电机传动系统（图13）I该PWm三电平变流器采用三菱制造的、目前世界上额定值最高的gto（6000v,6000a单管）I解决了周波变换器功率因数低和谐波严重问题I直流环节的电压是60OOVI采用了dc-dc变换的再生缓冲器吸收环节，使变流器达到了97%的变换效率I采用了最小脉宽的空间（电压）矢量脉宽调制I抑制了中点电压的起伏波动I四象限运行：0-60赫兹，0-3600伏输出I弱磁围：2.25:1I峰值揄出为1分钟15mvaI在双侧变流器中都采用直接矢量控制商用直接转矩控制（dtc）的感应电动机传动系统acs1000（图14）AAAIsolationtransformerRectlflefDClinkInvert.InducttcmotorIacs1000是世界上第一套直接转矩控制（dtc）的控制的感应电机传动系统I规格：功率:315kw5000kw（空气或水冷）输出也压：02.3kv,03.3kv,04.16kv输出频率：066hz（可选到200hz）线路畸变功率因数（dpf）:O.97线路功率因数（Pf）：0.95I三电平逆变器，应用单只集成有反并联二极管的igct,无缓冲器I标量控制一性能增强优于压/频比控制I12脉波二极管整流器（可选用24脉波）I由igct承担电容器和逆变器的失效保护I电1机终端设IC滤波器：电机电流为正弦电流没有承载电流没有终端过电压I直流扼流图一限制共模电流，保证输入功率因数高I线路功率损耗相应减少I磁通效率优化25mw超导同步电动机的轮船推进系统（图15）GASTUR83CE"ERA70KI同步电机：n液氮冷却激磁绕组(hts)n非铁导体n额定功率25mwn相数:9相n相电压：38IOVn极数：12极n频率围：012hzn速度围：0120rminn功率因数:1.On效率:94%I供电母线：7100v,60hzI二极管钳位npc电压源逆变器：n具有集成二极管的、4500v,400Oa（峰值）igctn1khz开关频率n空间（电压）矢量pwm调制n应用再生缓冲器吸收的硬开关运行n直流环节电压10000vnIc滤波器：Id=1OOmh,cf=5000口f（两个相串联）n中点电压平衡n效率:97%I二极管桥式整流桥：n6000v,1000a二极管（2个串联）n带r和red缓冲器吸收n效率:98%I恒转矩直接矢量控制I带有磁通控制的速度控制电动车传动用永磁同步电.机矢量控制系统（图16）同步电动机传动的进展和发展趋势I与感应电动机相比，同步电动机有更高的效率，但是比较昂贵。即全寿命周期成本高I在较大功率应用围，绕线磁极同步电机很受欢迎，这是由于它的效率高，其变频器系统比较经济，因为它可以得到功率因数为1,或接近于1的超前功率因数I铁铁硼（nd-fe-b）永磁合金成本的下降会使永磁同步电机传动更加流行，最终将胜过感应电机I在自控式同步电动机传动中设置绝对位置传感器属强制性要求I无速度传感器的自控式运行在低速时（接近零频率）是特别困难的ISPm型永磁电机传动用于恒转矩区，而ipm型永磁电机传动可以用到的磁区扩大了速度运行围I梯形波spm永磁电机传动完全相当于直流传动（有刷和无刷直流电机）I许多关于感应电机的先进控制技术和估计技术也都可以应用于同步电机I开关磁阻电机传动除了在特殊场合应用之外，其应用前景是有疑问的