第一部分
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
1～3、(略)
4 电力电子技术的演变
电力电子技术的发展阶段:
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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)
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l 晶闸管(1958)
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l 双向晶闸管(TRIAC)(1958)
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l 门极可关断晶闸管(GTO)(1980)
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l 双极功率晶体管(BJT或GTR)(1975)
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l 功率MOSFET(1975)
l 绝缘门极双极性晶体管(1985)
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l 绝缘栅双极晶体管(IGBT)(1985)
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l 静电感应晶体管(SIT)(1985)
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l 集成门极换流晶闸管(IGCT)(1996)
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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1kHz
l 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MOS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 AC—DC: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 DC—DC: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 DC—AC: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 AC—AC:交流控制器(同频率)、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)
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l 交流传动用电流源逆变器系统的进步与发展(图5)
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用于电网补峰调节的蓄电池储能18级GTO变换器(图6)
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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)
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l 三端高压直流(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)
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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±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/IGCT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 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)
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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，0~144r /min，50极，单位功率因数(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72~144r /min
l 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)
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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(4160V，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，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
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)
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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)
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l 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
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3.0％
l 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，72MVA
l 感应电机:
n20极
n同步速为360r /min，电机转速在330~390r /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)
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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:2.25:1
l 峰值输出为1分钟内15MVA
l 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)
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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:315kW～5000 kW(空气或水冷)
输出电压:0～2.3kV，0～3.3kV，0～4.16kV
输出频率:0～66Hz(可选到200Hz)
线路畸变功率因数(DPF):0.97
线路功率因数(PF):0.95
l 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)
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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25MW
n相数:9相
n相电压:3810V
n极数:12极
n频率范围:0~12Hz
n速度范围:0~120r /min
n功率因数:1.0
n效率:94%
l 供电母线:7100V，60Hz
l 二极管钳位NPC电压源逆变器:
n具有集成二极管的、4500V，4000A(峰值)IGCT
n1kHz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10000V
nLC滤波器:Ld=100mH,CF=5000μF(两个相串联)
n中点电压平衡
n效率:97%
l 二极管桥式整流桥:
n6000V，1000A二极管(2个串联)
n带R和RCD缓冲器吸收
n效率:98%
l 恒转矩直接矢量控制
l 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)
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同步电动机传动的进展和发展趋势
l 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
l 在较大功率应用范围，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
l 钕铁硼(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
l 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
l 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
l SPM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弱磁区扩大了速度运行范围
l 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)
l 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
l 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
参考文献
（略）
作者简介
B.K.Bose博士 美籍科学家、著名电力电子专家、田纳西大学教授B.K.Bose博士是和IEEE的Life Fellow。在国际电力电子界享有很高的声誉。在电力电子和电气传动方面，他出版、发表过多本专著，在IEEE许多会议论文集和IEEE多种学报上发表过许多篇很有份量的综述文章和专业文章。拥有20多项美国专利。他曾经担任IEEE电力电子学会的工业电子分会技术委员会主席、IEEE工业电子学报副主编、美国田纳西大学电力电子学科“康德拉杰出讲座”教授(这一职位只有少数成就突出的学者才能竞聘获得)。2005年前曾七次获得IEEE奖项，2005年年中，他又荣获了IEEE电力电子学会授予的“内维尔(Newell)电力电子奖”，这是电力电子领域的最高奖励。