第一部分
目錄 1 電力電子學(xué)為什么很重要？
2 電力電子學(xué)的應(yīng)用
3 電力電子學(xué)與新能源應(yīng)用
4 電力電子技術(shù)的演變
5 電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展
6 電力電子變換器的發(fā)展
7 傳動(dòng)用電機(jī)的發(fā)展
1～3、(略)
4 電力電子技術(shù)的演變
電力電子技術(shù)的發(fā)展階段:
電力電子和電機(jī)傳動(dòng)發(fā)展歷史上的若干重要事件
l 1897年 開發(fā)了三相二極管橋式整流器
l 1901年 peter cooper hewitt演示了玻璃殼汞弧整流器
l 1906年 kramer傳動(dòng)問世
l 1907年 scherbins傳動(dòng)問世
l 1926年 熱陰極閘流管問世
l 1930年 紐約地鐵安裝了用于直流傳動(dòng)的3mw柵控汞弧整流器
l 1931年 德國鐵路上引入了汞弧周波變換器，用于電動(dòng)機(jī)牽引傳動(dòng)
l 1934年 充氣閘流管周波變換器—同步電動(dòng)機(jī)(400馬力)安裝于洛根發(fā)電站，用于引風(fēng)機(jī)傳動(dòng)(第一次實(shí)現(xiàn)交流變頻傳動(dòng))
l 1948年 貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管
l 1956年 硅功率二極管問世
l 1958年 商用半導(dǎo)體晶體閘流管(scr)由通用電氣公司引入市場
l 1971年 矢量控制(或磁場定向控制)問世
l 1975年 日本東芝公司將大功率的bjt引入市場
l 1978年 ir公司將功率moseet引入市場
l 1980年 大功率的gto在日本問世
l 1981年 二極管箝位的多電平逆變器問世
l 1983年 igbt在通用電氣公司問世
l 1983年 空間(電壓)矢量pwm技術(shù)問世
l 1986年 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(dtc)問世
l 1987年 模糊邏輯首次應(yīng)用于電力電子
l 1991年 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)
l 1996年 abb公司將正向阻斷型igct引入市場
5 電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展
l 二極管(1955)
l 晶閘管(1958)
l 雙向晶閘管(triac)(1958)
l 門極可關(guān)斷晶閘管(gto)(1980)
l 雙極功率晶體管(bjt或gtr)(1975)
l 功率mosfet(1975)
l 絕緣門極雙極性晶體管(1985)
l 絕緣柵雙極晶體管(igbt)(1985)
l 靜電感應(yīng)晶體管(sit)(1985)
l 集成門極換流晶閘管(igct)(1996)
l 碳化硅器件
器件功率—頻率趨勢如圖3所示。
igbt概述
l 自1983年問世之后發(fā)展得非常快
l 簡單的結(jié)構(gòu)—簡單的加工過程
l 不對稱的和對稱的阻斷型器件均已問世
l 可構(gòu)成靈巧功率集成電路(smart power)
l 市場化器件達(dá)3500v，1200a(6.5kv和10kv器件已在測試中)
l 智能功率模塊達(dá)到1200v，800a(供250馬力電動(dòng)機(jī)用)
l 具有方形安全工作區(qū)—無吸收緩沖器運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
l 具有溝槽柵的第四代igbt器件(通態(tài)壓降有可能降低一半)
l 在大功率條件下，pwm開關(guān)頻率可達(dá)1khz
l 在三電平逆變器中逆變器容量可達(dá)1mw或更高
igct概述
l 1996年由abb公司引入的器件
l 電流控制型器件(即硬驅(qū)動(dòng)的gto，關(guān)斷電流增益b=1)
l 驅(qū)動(dòng)器做在模塊上
l 反并聯(lián)二極管做成一體式
l 市場化器件達(dá)6500v，4000a(10kv器件在測試中)
l 不對稱的和對稱的阻斷型器件均已問世
l 有可能串—并聯(lián)運(yùn)行
l 可帶或不帶緩沖器運(yùn)行
l 在1khz頻率下通態(tài)壓降低于igbt
l 對大功率應(yīng)用是非常有發(fā)展前景的器件
電力半導(dǎo)體器件的進(jìn)展和發(fā)展趨勢
l 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步主要地是跟隨著電力半導(dǎo)體器件的進(jìn)步，而它又是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)化的
l 相位控制類器件(晶閘管、雙向晶閘管)逐步過時(shí)
l 絕緣柵控制類器件(igbt、功率mos場效應(yīng)管)占有越來越大的優(yōu)勢
l 功率mos場效應(yīng)管將在低電壓高頻化場合保持廣泛的應(yīng)用
l gto將逐漸過時(shí)(較低的功率被igbt取代，較大的功率被igct取代)
l 對較高電壓的mosfet和高電壓的igbt，導(dǎo)通壓降正日益降低
l 碳化硅器件將給大功率電力電子技術(shù)帶來更新的面貌—更長期地則是金剛石器件
6 電力電子變換器的發(fā)展
變換器分類
l ac—dc:整流器
n二極管整流管
n晶閘管相控整流器
npwm(電壓源或電流源)整流器(硬開關(guān)或軟開關(guān))
l dc—dc:斬波器
npwm控制(升壓型、降壓型、升降壓型)
n帶諧振環(huán)節(jié)
n帶準(zhǔn)諧振環(huán)節(jié)
l dc—ac:逆變器
n晶閘管相控逆變器
npwm(電壓源或電流源)逆變器(硬開關(guān)或軟開關(guān))
l ac—ac:交流控制器(同頻率)、周波變換器(變頻率)
n晶閘管相控控制器(交流調(diào)壓、調(diào)溫、調(diào)光)
n有直流環(huán)節(jié)(電壓源或電流源)的變頻器(硬開關(guān)或軟開關(guān))
n有高頻環(huán)節(jié)(電壓源或電流源)的變頻器
n矩陣式交—交變頻器
輸電線路電力品質(zhì)問題和諧波標(biāo)準(zhǔn)
l 在公用電網(wǎng)中二極管和晶閘管變換器會(huì)有很大增長
l 電網(wǎng)電壓的諧波畸變
l 電網(wǎng)功率因數(shù)差
l 電磁干擾問題(emi)
l 輸電線路和用電設(shè)備兩側(cè)產(chǎn)生負(fù)載諧波電流
l 對通訊的干擾
l 測量儀表誤差(非正弦、非線性)
l 雜散參數(shù)引發(fā)的線路諧振
l ieee519標(biāo)準(zhǔn)—共輸入點(diǎn)的諧波畸變控制
l ieee1000標(biāo)準(zhǔn)—各自設(shè)備的諧波畸變控制
交流傳動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)
l 交流傳動(dòng)用電壓源逆變器系統(tǒng)的進(jìn)步與發(fā)展(圖4)
l 交流傳動(dòng)用電流源逆變器系統(tǒng)的進(jìn)步與發(fā)展(圖5)
用于電網(wǎng)補(bǔ)峰調(diào)節(jié)的蓄電池儲能18級gto變換器(圖6)
l 10mw容量鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)被ge公司安裝在南加利福尼愛迪生電網(wǎng)中(1988)
l 在非峰時(shí)間里儲能而在需要峰值功率時(shí)發(fā)出電能
l 還可以作靜止無功補(bǔ)償器在電網(wǎng)上運(yùn)行
l 能夠控制電網(wǎng)電壓和頻率
l 能夠改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性
l 通過h橋來控制三相60hz電壓幅值和相位角
l 三相h橋相移耦合、電壓提升與絕緣隔離可以通過60hz變壓器完成
l 在60hz運(yùn)行時(shí)gto開關(guān)頻率低
l 變換器效率高(97%)
300mw雙邊(50hz/60hz)背靠背電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的gto變換器系統(tǒng)(圖7)
l 三端高壓直流(hvdc)輸電的背靠背聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
l 將兩個(gè)66千伏、50赫茲的終端和一個(gè)275千伏、60赫茲的終端相連接
l 每一個(gè)變換器都發(fā)出9脈波正弦同步pwm波
l 近于正弦的電網(wǎng)電流可以提供單位功率因數(shù)、超前或者滯后功率因數(shù)用于系統(tǒng)的無功控制
l 4個(gè)gto(6000v，6000a)串聯(lián)，帶有再生反饋吸收緩沖器，以提高變換器的效率
l gto可以用igct代替。
l 為了避免器件的串聯(lián)帶來的動(dòng)態(tài)均壓等問題，可以采用多電平pwm調(diào)制或階梯波變換器
用于電氣化鐵路的48mva靜止無功功率發(fā)生器(圖8)
l 1995年富士公司為日本新干線鐵路系統(tǒng)裝備了電壓源型、移相控制的多階梯波無功補(bǔ)償裝置。
l 可以調(diào)整交流母線電壓在±2%之間，并可補(bǔ)償由于單相負(fù)載運(yùn)行造成的線電壓不平衡
l 可提供從20mva的滯后無功到48mva的超前無功容量
l 36脈波的階梯波輸出，其幅值和相位均可控
l 每個(gè)h橋臂上都只用單個(gè)逆導(dǎo)型gto(4500v，3000a)
l 帶有二極管充電器的變壓器可對電容器預(yù)充電，使其直流電壓調(diào)整在±10%范圍內(nèi)
l 有14mva容量的網(wǎng)側(cè)容性諧波濾波器
l 高效率(可達(dá)97%)
電力電子變換器的進(jìn)展和發(fā)展趨勢
l 電力品質(zhì)和滯后功率因數(shù)問題使相控型變換器逐步過時(shí)而淘汰，并推進(jìn)了脈寬調(diào)制(pwm)型變換器的應(yīng)用
l 綜合考慮整體優(yōu)缺點(diǎn)指標(biāo)，電壓源型變換器優(yōu)于電流源型變換器
l 雙向能量流動(dòng)的雙側(cè)電壓源gto/igbt/igct三電平pwm變換器正在替代大功率相控型變換器和交—交周波變換器
l 多電平多階梯變換器將廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中
l 空間電壓矢量pwm控制方案將被廣泛接受
l 用于電機(jī)傳動(dòng)的軟開關(guān)變換器還沒有顯示出任何應(yīng)用前景
l 電力電子變換技術(shù)已經(jīng)接近于達(dá)到飽和成熟的程度
l 未來的重點(diǎn)將是在集成化封裝和設(shè)計(jì)自動(dòng)化方面
7 傳動(dòng)用電機(jī)的發(fā)展
傳動(dòng)用電機(jī)分類
(1) 直流電機(jī):他勵(lì)式、并勵(lì)式、串勵(lì)式、復(fù)勵(lì)式。
(2) 交流電機(jī)
(a) 感應(yīng)電機(jī):(旋轉(zhuǎn)式或直線式)鼠籠式
繞線轉(zhuǎn)子式或雙饋式
(b) 同步電機(jī):(旋轉(zhuǎn)式或直線式)繞線磁極式(wfsm)
磁阻式(syrm)
永磁式(pmm)
永磁同步電機(jī)分為:徑向電機(jī)、軸向電機(jī)和盤式電機(jī)
徑向電機(jī)又分為:表面式和內(nèi)埋式
表面式又分為:梯形波(永磁無刷直流電機(jī))
正弦波(永磁同步電機(jī))
(c) 可變磁阻式電機(jī)(旋轉(zhuǎn)式或直線式):開關(guān)磁阻式
步進(jìn)式
電機(jī)的進(jìn)展和發(fā)展趨勢
l 電機(jī)的發(fā)展很緩慢，已持續(xù)了100多年
l 先進(jìn)的cad程序和材料的改進(jìn)使電機(jī)具有更低的成本、更高的效率、可靠性得以改進(jìn)、功率密度得以提高
l 直流電機(jī)在未來將逐漸被淘汰
l 鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)將在很寬的功率范圍內(nèi)保持為工業(yè)界的主力電機(jī)
l 繞線磁極式同步電機(jī)在大功率使用場合仍然很受歡迎
l 永磁同步電機(jī)雖然效率高但是成本也很高，它們在生命周期費(fèi)用中優(yōu)于感應(yīng)電機(jī)
l 從長遠(yuǎn)來看大多數(shù)的電機(jī)(不論是恒速還是變速電機(jī))都將會(huì)帶有前端變換器
l 帶有集成變換器和集成控制器的智能電機(jī)看來在將來有非常好的發(fā)展前景
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的發(fā)展
(1) 感應(yīng)電機(jī)的主要分類
l 恒頻定子電壓控制
l 電壓源型pwm逆變器傳動(dòng)
l 電流源型逆變器傳動(dòng)(6階或pwm)
l 周波變換器傳動(dòng)
l 轉(zhuǎn)差功率回饋型傳動(dòng)系統(tǒng)
n靜止的克拉默(kramer)傳動(dòng)
n靜止的謝爾必斯(scherbius)傳動(dòng)
(2) 感應(yīng)電機(jī)高性能調(diào)速方法
伊麗莎白2世女皇號游船用的柴油發(fā)電—電氣推進(jìn)系統(tǒng)(圖9)
l 9臺柴油發(fā)電機(jī)組—10.5mw，功率因數(shù)0.9，10kv，60hz，400r /min(每臺參數(shù))
l 2臺繞線磁極同步電動(dòng)機(jī)，外加直流有刷勵(lì)磁機(jī)—44mw，0~144r /min，50極，單位功率因數(shù)(每臺參數(shù))
l 6脈波整流器和6脈波負(fù)載換流逆變器系統(tǒng)
l 電動(dòng)機(jī)由電力電子變換器啟動(dòng)，在達(dá)到全速時(shí)(144r /min)、切換到由60hz電網(wǎng)供電
l 啟動(dòng)時(shí)變換器的直流電流(<10%轉(zhuǎn)速)為斷續(xù)模式，不過在較高速度下為反電勢負(fù)載換向模式
l 螺旋槳推進(jìn)器可變節(jié)距以控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩
l 通過變換器的推進(jìn)速度范圍為72~144r /min
l 在再生狀態(tài)下速度可反轉(zhuǎn)
l 速度控制是由id電流控制內(nèi)環(huán)來實(shí)現(xiàn)的
l 滿載效率:發(fā)電機(jī)97.3%，電動(dòng)機(jī)98%
采用周波變換器—繞線磁極同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的破冰船柴油發(fā)電—電氣推進(jìn)系統(tǒng)(圖10)
l 加拿大ge公司為圣勞倫斯河破冰船建造的
l 在柴油引擎固定轉(zhuǎn)速下母線電壓是恒定的(4160v，60hz)
l 由36個(gè)晶閘管組成6脈波無環(huán)流模式周波變換器
l 帶位置傳感器的自控式繞線磁極同步電動(dòng)機(jī)(wfsm)傳動(dòng)(8000馬力，12極，0-180r /min，0~18hz)
n無刷勵(lì)磁
n速度可反轉(zhuǎn)，但不帶再生
n電機(jī)的dpf(畸變功率因數(shù))為1
n采用定子磁場定向的直接矢量控制
n在低速下為電流模式預(yù)測磁通矢量，而在高速時(shí)為電壓模式預(yù)測
n采用預(yù)測前饋反電勢注入實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)相電流控制
l 在具有梯形電壓波的弱磁模式下采用標(biāo)量控制
用于礦石破碎機(jī)的12mw雙周波變換器同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)(圖11)
用于變速水輪發(fā)電機(jī)及泵式儲能系統(tǒng)的400mw謝爾必斯(scherbius)傳動(dòng)(圖12)
l 安裝在kansai電力公司的ohkawachi工廠的世界上第一臺也是僅有的一臺變速水泵式發(fā)電機(jī)
l 400mw采用轉(zhuǎn)差功率控制的謝爾必斯傳動(dòng)
l 采用變水頭提高效率3.0％
l 晶閘管周波變換器
n無環(huán)流模式
n-5.0hz到+5.0hz頻率控制
n12脈波，72mva
l 感應(yīng)電機(jī):
n20極
n同步速為360r /min，電機(jī)轉(zhuǎn)速在330~390r /min范圍
n定子電流可以超前或滯后
l 500kv，60hz電力系統(tǒng)，可以有超前或滯后的功率因數(shù)
用于軋鋼機(jī)的10mva三電平變流器繞線磁極同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)(圖13)
l 該pwm三電平變流器采用三菱制造的、目前世界上額定值最高的gto(6000v，6000a單管)
l 解決了周波變換器功率因數(shù)低和諧波嚴(yán)重問題
l 直流環(huán)節(jié)的電壓是6000v
l 采用了dc-dc變換的再生緩沖器吸收環(huán)節(jié)，使變流器達(dá)到了97%的變換效率
l 采用了最小脈寬的空間(電壓)矢量脈寬調(diào)制
l 抑制了中點(diǎn)電壓的起伏波動(dòng)
l 四象限運(yùn)行:0-60赫茲，0-3600伏輸出
l 弱磁范圍:2.25:1
l 峰值輸出為1分鐘內(nèi)15mva
l 在雙側(cè)變流器中都采用直接矢量控制
商用直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)acs1000(圖14)
l acs1000是世界上第一套直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)的控制的感應(yīng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)
l 規(guī)格:功率:315kw～5000 kw(空氣或水冷)
輸出電壓:0～2.3kv，0～3.3kv，0～4.16kv
輸出頻率:0～66hz(可選到200hz)
線路畸變功率因數(shù)(dpf):0.97
線路功率因數(shù)(pf):0.95
l 三電平逆變器，應(yīng)用單只集成有反并聯(lián)二極管的igct，無緩沖器
l 標(biāo)量控制—性能增強(qiáng)優(yōu)于壓/頻比控制
l 12脈波二極管整流器(可選用24脈波)
l 由igct承擔(dān)電容器和逆變器的失效保護(hù)
l 電機(jī)終端設(shè)lc濾波器:電機(jī)電流為正弦電流
沒有承載電流
沒有終端過電壓
l 直流扼流圈—限制共模電流，保證輸入功率因數(shù)高
l 線路功率損耗相應(yīng)減少
l 磁通效率優(yōu)化
25mw超導(dǎo)同步電動(dòng)機(jī)的輪船推進(jìn)系統(tǒng)(圖15)
l 同步電機(jī):
n液氮冷卻激磁繞組(hts)
n非鐵導(dǎo)體
n額定功率25mw
n相數(shù):9相
n相電壓:3810v
n極數(shù):12極
n頻率范圍:0~12hz
n速度范圍:0~120r /min
n功率因數(shù):1.0
n效率:94%
l 供電母線:7100v，60hz
l 二極管鉗位npc電壓源逆變器:
n具有集成二極管的、4500v，4000a(峰值)igct
n1khz開關(guān)頻率
n空間(電壓)矢量pwm調(diào)制
n應(yīng)用再生緩沖器吸收的硬開關(guān)運(yùn)行
n直流環(huán)節(jié)電壓10000v
nlc濾波器:ld=100mh,cf=5000μf(兩個(gè)相串聯(lián))
n中點(diǎn)電壓平衡
n效率:97%
l 二極管橋式整流橋:
n6000v，1000a二極管(2個(gè)串聯(lián))
n帶r和rcd緩沖器吸收
n效率:98%
l 恒轉(zhuǎn)矩直接矢量控制
l 帶有磁通控制的速度控制
電動(dòng)車傳動(dòng)用永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)(圖16)
同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的進(jìn)展和發(fā)展趨勢
l 與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)有更高的效率，但是比較昂貴。即全壽命周期成本高
l 在較大功率應(yīng)用范圍，繞線磁極同步電機(jī)很受歡迎，這是由于它的效率高，其變頻器系統(tǒng)比較經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗梢缘玫焦β室驍?shù)為1，或接近于1的超前功率因數(shù)
l 釹鐵硼(nd-fe-b)永磁合金成本的下降會(huì)使永磁同步電機(jī)傳動(dòng)更加流行，最終將勝過感應(yīng)電機(jī)
l 在自控式同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)中設(shè)置絕對位置傳感器屬強(qiáng)制性要求
l 無速度傳感器的自控式運(yùn)行在低速時(shí)(接近零頻率)是特別困難的
l spm型永磁電機(jī)傳動(dòng)用于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，而ipm型永磁電機(jī)傳動(dòng)可以用到弱磁區(qū)擴(kuò)大了速度運(yùn)行范圍
l 梯形波spm永磁電機(jī)傳動(dòng)完全相當(dāng)于直流傳動(dòng)(有刷和無刷直流電機(jī))
l 許多關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的先進(jìn)控制技術(shù)和估計(jì)技術(shù)也都可以應(yīng)用于同步電機(jī)
l 開關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)除了在特殊場合應(yīng)用之外，其應(yīng)用前景是有疑問的
參考文獻(xiàn)
（略）
作者簡介
b.k.bose博士 美籍科學(xué)家、著名電力電子專家、田納西大學(xué)教授b.k.bose博士是和ieee的life fellow。在國際電力電子界享有很高的聲譽(yù)。在電力電子和電氣傳動(dòng)方面，他出版、發(fā)表過多本專著，在ieee許多會(huì)議論文集和ieee多種學(xué)報(bào)上發(fā)表過許多篇很有份量的綜述文章和專業(yè)文章。擁有20多項(xiàng)美國專利。他曾經(jīng)擔(dān)任ieee電力電子學(xué)會(huì)的工業(yè)電子分會(huì)技術(shù)委員會(huì)主席、ieee工業(yè)電子學(xué)報(bào)副主編、美國田納西大學(xué)電力電子學(xué)科“康德拉杰出講座”教授(這一職位只有少數(shù)成就突出的學(xué)者才能競聘獲得)。2005年前曾七次獲得ieee獎(jiǎng)項(xiàng)，2005年年中，他又榮獲了ieee電力電子學(xué)會(huì)授予的“內(nèi)維爾(newell)電力電子獎(jiǎng)”，這是電力電子領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)勵(lì)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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