电力电子及电动机

1、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 电力电子技术的演变电力电子技术的发展阶段:电力电子和电机传动发展历史上的若干重要事件l 1897年 开发了三相二极管桥式整流器l 1901年 peter cooper hewitt演示了玻璃壳汞弧整流器l 1906年 kramer传动问世l 1907年 scherbins传动问世l 1926年 热阴极闸流管问世l 1930年 纽约地铁安装了用于直流传动的3mw栅控汞弧整流器l 1931年 德国铁路上引入了汞弧周

2、波变换器，用于电动机牵引传动l 1934年 充气闸流管周波变换器同步电动机(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)l 1948年 贝尔实验室发明了晶体管l 1956年 硅功率二极管问世l 1958年 商用半导体晶体闸流管(scr)由通用电气公司引入市场l 1971年 矢量控制(或磁场定向控制)问世l 1975年 日本东芝公司将大功率的bjt引入市场l 1978年 ir公司将功率moseet引入市场l 1980年 大功率的gto在日本问世l 1981年 二极管箝位的多电平逆变器问世l 1983年 igbt在通用电气公司问世l 1983年 空间(电压)矢量pwm技术

3、问世l 1986年 直接转矩控制技术(dtc)问世l 1987年 模糊逻辑首次应用于电力电子l 1991年 人工神经网络被应用于直流电动机传动l 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l 二极管(1955) l 晶闸管(1958) l 双向晶闸管(triac)(1958) l 门极可关断晶闸管(gto)(1980) l 双极功率晶体管(bjt或gtr)(1975) l 功率mosfet(1975) l 绝缘门极双极性晶体管(1985) l 绝缘栅双极晶体管(igbt)(1985) l 静电感应晶体管(sit)(1985) l 集成门极换流晶闸管(igct)

4、(1996) l 碳化硅器件 器件功率频率趋势如图3所示。igbt概述l 自1983年问世之后发展得非常快l 简单的结构简单的加工过程l 不对称的和对称的阻断型器件均已问世l 可构成灵巧功率集成电路(smart power)l 市场化器件达3500v，1200a(6.5kv和10kv器件已在测试中)l 智能功率模块达到1200v，800a(供250马力电动机用)l 具有方形安全工作区无吸收缓冲器运行的优点和缺点l 具有沟槽栅的第四代igbt器件(通态压降有可能降低一半)l 在大功率条件下，pwm开关频率可达1khzl 在三电平逆变器中逆变器容量可达1mw或更高igct概述l 1996年由abb

5、公司引入的器件l 电流控制型器件(即硬驱动的gto，关断电流增益b=1)l 驱动器做在模块上l 反并联二极管做成一体式l 市场化器件达6500v，4000a(10kv器件在测试中)l 不对称的和对称的阻断型器件均已问世l 有可能串并联运行l 可带或不带缓冲器运行l 在1khz频率下通态压降低于igbt l 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l 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l 相位控制类器件(晶闸管、双向晶闸管)逐步过时l 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l 功率mo

6、s场效应管将在低电压高频化场合保持广泛的应用l gto将逐渐过时(较低的功率被igbt取代，较大的功率被igct取代)l 对较高电压的mosfet和高电压的igbt，导通压降正日益降低l 碳化硅器件将给大功率电力电子技术带来更新的面貌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l acdc:整流器n二极管整流管n晶闸管相控整流器npwm(电压源或电流源)整流器(硬开关或软开关)l dcdc: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l dcac:逆变器n晶闸管相控逆变器npwm(电压源或电流源)逆变器(硬开关或软开关)l acac:交流控制器(同频

7、率)、周波变换器(变频率)n晶闸管相控控制器(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矩阵式交交变频器输电线路电力品质问题和谐波标准l 在公用电网中二极管和晶闸管变换器会有很大增长l 电网电压的谐波畸变l 电网功率因数差l 电磁干扰问题(emi)l 输电线路和用电设备两侧产生负载谐波电流l 对通讯的干扰l 测量仪表误差(非正弦、非线性)l 杂散参数引发的线路谐振l ieee519标准共输入点的谐波畸变控制l ieee1000标准各自设备的谐波畸变控制交流传动变频调速系统l 交流传动用电压源逆变器系统的进步与发展(图4

8、)l 交流传动用电流源逆变器系统的进步与发展(图5) 用于电网补峰调节的蓄电池储能18级gto变换器(图6) l 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迪生电网中(1988)l 在非峰时间里储能而在需要峰值功率时发出电能l 还可以作静止无功补偿器在电网上运行l 能够控制电网电压和频率l 能够改善系统的稳定性l 通过h桥来控制三相60hz电压幅值和相位角l 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l 在60hz运行时gto开关频率低l 变换器效率高(97%)300mw双边(50hz/60hz)背靠背电力系统联网的gto变换器系统(图7) l 三端高压直流

9、(hvdc)输电的背靠背联网系统l 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l 每一个变换器都发出9脉波正弦同步pwm波l 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l 4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l gto可以用igct代替。l 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) l 1995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。l 可以调整交流母线电压在

10、2%之间，并可补偿由于单相负载运行造成的线电压不平衡l 可提供从20mva的滞后无功到48mva的超前无功容量l 36脉波的阶梯波输出，其幅值和相位均可控l 每个h桥臂上都只用单个逆导型gto(4500v，3000a)l 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%范围内l 有14mva容量的网侧容性谐波滤波器l 高效率(可达97%)电力电子变换器的进展和发展趋势l 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l 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l 双向能量流动的双侧电压源gto/igbt/igc

11、t三电平pwm变换器正在替代大功率相控型变换器和交交周波变换器l 多电平多阶梯变换器将广泛应用于电力系统中 l 空间电压矢量pwm控制方案将被广泛接受l 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l 电力电子变换技术已经接近于达到饱和成熟的程度l 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

12、向电机又分为:表面式和内埋式表面式又分为: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l 电机的发展很缓慢，已持续了100多年 l 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l 直流电机在未来将逐渐被淘汰l 鼠笼式感应电动机将在很宽的功率范围内保持为工业界的主力电机l 绕线磁极式同步电机在大功率使用场合仍然很受欢迎l 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l 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l

13、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l 恒频定子电压控制l 电压源型pwm逆变器传动l 电流源型逆变器传动(6阶或pwm)l 周波变换器传动l 转差功率回馈型传动系统n静止的克拉默(kramer)传动n静止的谢尔必斯(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电气推进系统(图9)l 9台柴油发电机组10.5mw，功率因数0.9，10kv，60hz，400r /min(每台参数)l 2台绕线磁极同步电动机，外加直流有刷励磁机44mw，0144r /min，50极，单位功率因数(

14、每台参数)l 6脉波整流器和6脉波负载换流逆变器系统l 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l 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l 螺旋桨推进器可变节距以控制负载转矩l 通过变换器的推进速度范围为72144r /minl 在再生状态下速度可反转l 速度控制是由id电流控制内环来实现的l 满载效率:发电机97.3%，电动机98%采用周波变换器绕线磁极同步电动机传动的破冰船柴油发电电气推进系统(图10) l 加拿大ge公司为圣劳伦斯河破冰船建造的l 在柴油引擎固定转速下母线电压是恒定的(4160

15、v，60hz)l 由36个晶闸管组成6脉波无环流模式周波变换器l 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，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l 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)用于变速水轮发电机及泵式储能系统的400mw谢尔必斯(scherbius)传动(图12) l 安装在kansa

16、i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l 400mw采用转差功率控制的谢尔必斯传动l 采用变水头提高效率3.0l 晶闸管周波变换器n无环流模式n-5.0hz到+5.0hz频率控制n12脉波，72mval 感应电机:n20极n同步速为360r /min，电机转速在330390r /min范围n定子电流可以超前或滞后l 500kv，60hz电力系统，可以有超前或滞后的功率因数用于轧钢机的10mva三电平变流器绕线磁极同步电机传动系统(图13) l 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)l 解决了周波变换

17、器功率因数低和谐波严重问题l 直流环节的电压是6000v l 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l 采用了最小脉宽的空间(电压)矢量脉宽调制l 抑制了中点电压的起伏波动l 四象限运行:0-60赫兹，0-3600伏输出l 弱磁范围:2.25:1l 峰值输出为1分钟内15mval 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) l acs1000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l 规格:功率:315kw5000 kw(空气或水冷)输出电压:02.3kv，03.3kv，04.16

18、kv输出频率:066hz(可选到200hz)线路畸变功率因数(dpf):0.97线路功率因数(pf):0.95l 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l 标量控制性能增强优于压/频比控制l 12脉波二极管整流器(可选用24脉波)l 由igct承担电容器和逆变器的失效保护l 电机终端设lc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l 直流扼流圈限制共模电流，保证输入功率因数高l 线路功率损耗相应减少l 磁通效率优化25mw超导同步电动机的轮船推进系统(图15) l 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:3810vn极数:12极n频率范围:012hzn速度范围:0120r /minn功率因数:1.0n效率:94%l 供电母线:7100v，60hzl 二极管钳位npc电压