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電力電子領域簡介 - ee.nuu.edu.t · 電力電子領域簡介 2 問題 q1....
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1
1
報告者:張國財教授
中華民國 101 年 10 月 18 日 (星期四)
電力電子領域簡介
2
問 題
Q1. 儲能元件之種類及特性。
Q2. 電力電子技術應用領域。
3
電機資訊工程概論 微積分與演算
普通物理 工程數學與演算
邏輯設計 線性代數
計算機概論 程式設計
專業必修科目
4
電子學 電路學
電磁學 信號與系統
電機機械 電力電子學
專業必修科目(續)
-
2
5
專業選修科目
配電設計 電力系統
工業電子學 電動機控制
彈性交流輸電系統 作業研究
數值分析 電力品質概論
機率與統計 切換式電源供應器
高壓工程 電子電路設計實務6
專業選修科目(續)
電力系統運轉 電力監控實驗
能源應用 高等電機理論
再生能源轉換 電磁干擾與對策
電力轉換器控制 特殊電機理論
交流伺服控制 汽電共生系統概論
電業自由化 微機電工程導論
7
電能重要性
• 家居生活需要電能
• 工業生產需要電能
• 大眾運輸需要電能
8
何謂電力系統
聯結各發電廠傳送電力至各用戶之間的輸配電網路稱為電力系統,範圍涵蓋:
• 發電系統• 輸電系統• 配電系統
發電 購電
輸電
配電
一般用戶大用戶 汽電共生
圖示:
定義:
-
3
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電力輸送流程
10
各級電力系統類別
‧超高壓系統
‧一次系統
‧二次系統
‧配電系統
‧自備變電所
‧汽電共生系統
‧發電業電廠
‧小水力發電業電廠
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汽電共生系統
• 發電業者依其發電機組設備容量大小,以電源線併接於本公司各級電力系統躉售電能者。
• 自備用戶利用燃料或處理廢棄物,同時產生有效熱能與電能,並依其發電機組設備總容量大小,併接於本公司各級電力系統躉售電能者。
發電業電廠
12
發電容量結構圖
-
4
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控制設備
• 電壓調整器• 電容器• 電抗器• 主變壓器之有載自動切換器
即時控制輸配電網的電力流量,維持適當電壓,提高供電的可靠性。
14
供電系統電壓控制
• 超高壓變電所161KV 側匯流排電壓,維持在161KV±5%範圍內。
• 超高壓、一次變電所69KV 匯流排電壓,維持在標準值±1.5%範圍內。
• 一次(配電)變電所配電變壓器低壓側匯流排電壓(22KV、11KV),維持在標準值±2.5%範圍內。
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電壓驟降
‧電壓驟降是影響工業和商業用戶電力品質之重大問題之一,在此特殊情況下,馬達接觸器若可容忍持續 0.2 秒、降幅 50%的電壓驟降,則多數的電壓驟降事件就不致於會影響到馬達的正常運轉。
‧電壓驟降的發生主要是因輸配電系統的故障,此故障經由保護裝置自動檢出並隔離,可於很短的時間內回復至原來電壓。常見的電壓驟降實例為降幅小於 30%,而持續時間短於 20 週波(0.33 秒),
16
電力品質
• 電力品質涵蓋電力系統中的電壓、電流波形及頻率的正常性程度。
• 為了界定電力公司與用戶間之電力品質,相關機構(例如:IEC、IEEE、NEC、ANSI等)有訂定標準與規範。
• 不良電力品質如電壓、電流之諧波、電壓閃爍、三相不平衡,以及電壓驟降或突升對電機、電子設備會造成危害性影響。
-
5
17
電壓閃爍
• 當電力系統中電壓閃爍嚴重時,會造成日光燈或白熾燈等燈具光度的閃變,使人的眼睛視覺產生不舒適感覺。
• 電壓閃爍的形成原因來自於電力網路中具有快速變動功率的負載,如電弧爐(Electric Arc Furnace)、電銲機、鋸木機、切煤機、碎石機和軋鋼電動機等,這些負載特點是在運轉過程中功率隨機或週期性地大幅變動。
18
電壓閃爍改善(電弧爐)
19
動態電壓補償
動態電壓補償器 20
電力系統互聯的優點
• 夏季尖峰與冬季尖峰系統的尖峰需求,可以互相支援,從而降低總發電裝置容量。
• 不同時區的系統,其尖峰需求可以互相支援。
• 故障時,電力可以互通有無。
• 電力系統更為穩定。
• 備轉容量可以降低。
-
6
21
負載的有效管理
• 抽蓄電廠
• 電價費率結構
• 儲冰式冷氣系統
• 無線電控制冷暖氣負載
• 汽電共生
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高壓輸電
• 線路的輸電容量與電壓平方成正比,電壓加倍,輸電容量增為原來容量的四倍。
• 對相同輸電容量而言,較高電壓只需較小電流,可以使用較細導線,節省用銅。
• 使用較高電壓則電流較少,銅損(I2R)也減少。
• 使用較高電壓,電流減少,輸電線路的電壓降也較低。
23
直流輸電
• 直流三線制輸電效率最高。
• 無電感,輸電容量可增加數倍之多。
• 無充電電流,高壓電纜輸電距離不受限制。
• 供電可靠性高,即使一線故障,仍可以利用另一線與大地供應50%的電力。
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規畫設計基本原則
• 安全
• 經濟
• 系統可靠性
• 彈性
• 系統擴充
• 設備選擇及操作性
• 監控、節約及新能源運用
• 系統負載管理
-
7
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三相電路優點
‧以三相電路的方式配送電力較為穩定,不會有單相配電時的震動,因此在機械轉換設備上較無磨損或裂傷。
‧使用三相電壓可以用較少的導體傳送與單相狀況相同的功率,因此較節省材料。
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電子學 vs 電力電子學
B
C
E
電子學注重於:
•工作區 放大器•飽和區 開關ON•截止區 開關OFF
BJT元件
電力電子學
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• 直流 交流(DC 12 V AC110V/60Hz)
• 交流 直流(AC110V/60Hz DC12 V)
• 直流 直流(DC12V DC24 V)
• 交流 交流(AC110V/60Hz AC200V / 40 kHz)
電力電子技術應用
28
Power Control System
-
8
29
Converter 1 Converter 2Energy storage element
OutputInput
Power processor
Power Processor
30
• DC-AC converter (Inverter 變流器)
• DC-DC converter (Chopper截波器)
• AC-DC converter (Rectifier整流器)
• AC-AC converter (Cycleconverter變週器)
Types of Converters
31
Energy Storage Elements
• Inductor (電感):
WL=1/2 LI2,電流不會瞬間改變
• Capacitor (電容):
WC=1/2 CV2,電壓不會瞬間改變
32
Converter組成
(DC or AC)
電源
功率半導體元件
命令
迴授
負載
隔離電路
多迴路(串級)控制電路位移、速度、電流
切換控制信號產生電路
(閉迴路控制器) (開迴路控制器)
控制命令信號
DC隔離電壓+
光隔離器
(變壓、整流、濾波、功因控制、湧浪電流抑制) 觸發驅動電路
(DC or AC)
-
9
33
Diodes:
Thyristors:• SCR• TRIAC
• Schottky• Fast-recovery
Switch Components(by Power Semiconductors 功率半導體)
A KiD
vDA
K
iAvAK
GiG
iTvT
Switch
34
Transistors:
• BJT
Switch Components(by Power Semiconductors 功率半導體)
B
E
C
vCEiB
vBE
iC
G
E
C
vCEiG
vGE
iC
G
S
DiD
vGS
vDS
A
K
iA
vAK
GiG
•GTO• MOSFET•IGBT
35
1S 3S
dcV
sqrvdcC 4S2S
3gsv1gsv
2gsv 4gsvfC
tifL
sv
DC chopper (直流截波器)
共振槽
DC-AC Inverter
36
1S 3S
dcV
sqrvdcC 4S2S
3gsv1gsv
2gsv 4gsvfC
tifL
sv
DC chopper (直流截波器)
共振槽
dcsqr Vv +=
DC-AC Inverter
-
10
37
1S 3S
dcV
sqrvdcC 4S2S
3gsv1gsv
2gsv 4gsvfC
tifL
sv
DC chopper (直流截波器)
共振槽
dcsqr Vv −=
DC-AC Inverter
38
a bvo
Low-pass filter
• Output Voltage:
• Higher fs makes a smaller LC Filter in capacity and weight. Frequency Spectrum
sond
oio
TtvVv
/⋅=≅
dv
DC-AC Inverter
39
a
b• Output Voltage:
• Higher fs makes a smaller LC Filter in capacity and weight.
sond
oio
TtvVv
/⋅=≅
DC-AC Inverter
40
開關功率損失
1. 切換損• ON > OFF• OFF > ON2. 導通損• ON
SWv
SWiSWSWloss ivp ⋅=
-
11
41
功率半導體發展趨勢
42
Load
cV
+
-
L
oILI
C
+AT
−AT
+BT
−BT
AB
ioVd Icap
DC-AC Inverter
iL
43
AC-DC Rectifier
44
AC-DC Rectifier
-
12
45電力電子的用途 46
Switching Power Supplies切換式電源供應器
47
• 電腦、資訊、通訊、網路、消費性電子產品之電源
• 強調輕、薄、短小、高效率、高功率密度,並且要低雜訊干擾
• Notebook用AC/DC電源供應器(Adapter)
• 高功率密度DC/DC電源供應器
• 伺服器用分散式電源(Redundant power system)
• PC用電源供應器
目前廠商之研發重點項目:
應用範圍:
Switching Power Supplies切換式電源供應器
48
UPS 不斷電系統
充電器
變流器
電池
市電 負載
市電正常路徑
整流器
DC/DC轉換器
旁路
~
電池供電路徑(市電異常)
-
13
49
Notebook PC背光元件之驅動
50
Notebook PC背光元件之驅動
51
Cold-cathode lamp
Backlighting circuit module
Notebook PC背光元件之驅動
52
PDP、LCD顯示器• 驅動器之研製與面板之開發佔有同等之重要
地位。唯有兩者相互配合,才能製造出高發光效率、長壽命之PDP系統。
• PDP之驅動器技術包括各種高、低壓(5V-200V)電源、能量回復電路及各式時脈控制電路等之研製技術。在高、低壓電源方面,首重扁平型及高效率的電路設計,使PDP系統真正達到體型薄的目標;在能量回復電路方面,則著重在能夠配合驅動時序之電路架構或控制方式;至於在各式時脈控制電路方面,則強調在如何能降低其切換損失,以提高整體系統效率。
• LCD朝大功率及大尺寸顯示器需求之背光電源發展
-
14
53
投影機
• 複金屬燈與超高壓水銀燈的結構與低頻及高頻的特性、發光效率、
燈管的等效模型
• 電子式安定器及其調光電路之設計與研製
• 啟動器(Igniter)與保護電路之設計與研製
54
1. 電池之殘留電量的偵測。2. 高效率蓄電池充放電技術。3. 蓄電能力提升及壽命的延長。4. 電池快速充電技術。
蓄電池充放電應用
55
1.日照率的統計。2.太陽能發電最大功率追蹤。3.獨立供電及市電並聯。4.故障偵測及遠端電力系統的監控。5.高效率混合熱電系統。
太陽能發電系統 DC-DCConverter
DC-ACInverter
PV array
~
Load
DC-ACInverter
PV array
~
Load
(a)
(b)
(c)
DC-DCConverter
DC-ACInverter
PV array
~
Loadbatteries
56
感應發電機之風力發電系統
Rectifier Inverter轉速不固定
-
15
57
1.風速的統計及設置地點的評估。
2.高效率風力系統獨立供電或與市電並聯運轉。
3.虛功率及電壓穩定控制。
4.電力系統故障之保護。
5.高效率低速永磁發電機的設計。
6.風力發電系統之機構、變速齒輪、高效率感應機及同步機等設備研發。
感應發電機之風力發電系統
58
12 246 180
Load Profile
Time of Day
Power
hr
儲能系統
儲能系統
59
Fuel Cell
Battery
MainDC/DC
ConverterInverter
AuxiliaryDC/DC
Converter
~
Load
UtilityDC-link TransformerSolar Array
Wind Generator
Superconductor
Flywheel
儲能系統
60
Motor Drives 馬達驅動器
ControllerPower
ElectronicsConverter
Motor LoadSpeed and/or
Position Sensor
Input power
Input Command
-
16
61
Motor Drives 馬達驅動器
62機器手臂
CNC工具機
無人搬運車
相關應用
63
燃料電池電動汽車
64
High pressure tank
RegulatorCooling pump
Source: Toyota Technical Review, vol. 51, no.2, March 2002
Fuel cell system
Hydrogen circulation pump
Radiator
Fuel cellHumidifier
Air compressor
TractionInverter
Tractionmotor
DC/DCConverter
Air compressorinverter/motor
Hydrogen pump inverter/motor
Cooling pumpinverter/motor
Battery
Power conditioning
High pressure tank
RegulatorCooling pump
Source: Toyota Technical Review, vol. 51, no.2, March 2002
Fuel cell system
Hydrogen circulation pump
Radiator
Fuel cellHumidifier
Air compressor
TractionInverter
Tractionmotor
DC/DCConverter
Air compressorinverter/motor
Hydrogen pump inverter/motor
Cooling pumpinverter/motor
Battery
Power conditioning
燃料電池電動汽車
-
17
65
再生能源(非化石能源)
• 太陽能
• 風能(風力發電)
• 水能
• 生物質能
(由甘蔗生產酒精)
• 地熱能
• 海洋能
(海浪發電 ) 66
• 今年4月,從苗栗竹南到後龍沿海矗立起25支風機,迎風旋轉,這是全亞洲裝置容量最大的單一風場,也是外商在台灣投資設立的第一個民營發電廠。
• 苗栗沿海所裝設的風機是由德商Enercon公司所生產,該公司在德國經營風機已經有20年的歷史。• 德國、丹麥等國發展風力發電已經有幾十年的歷史,產業相當成熟,台灣起步較晚,目前還沒有自產的技術,因此台灣所有的風機全部是進口。
風力發電
67
• 太陽能電池方面,台灣已經有相當成熟的技術,包括股王益通、茂迪等等,已擠進全球太陽能光電生產的前10名。• 台灣不但有具競爭力的太陽能光電生產線,日照量更是德國等高緯度國家的3倍,看好台灣太陽能光電發展的潛力。
太陽能電池
68
太陽能電力系統(10W)
‧小型電力銀行、綠色環保、操作簡便。‧照太陽即可發電;用之不盡、取之不竭。
NT$3,000
-
18
69
太陽能電力系統(240W)
‧電源轉換器配合汽車電瓶可郊遊、露營用。
NT$100,000
70
•隨處可用、攜帶方便•防雨、防塵、防蟲•運作零成本、無污染•提供5.5小時連續照明•廠牌:英國Sollatek•售價:NT$6,680
太陽能提燈組(5W)
71
•隨處可用、攜帶方便•防雨、防塵、防蟲•運作零成本、無污染•提供8小時連續照明•廠牌:英國Sollatek•售價:NT$8,680
太陽能提燈組(7W)
72
• 綠色環保,電力完全來自太陽,用之不盡,取之不竭。
• 操作簡便,只要照太陽,即就可發電。
•售價:NT$23,000
單晶太陽能板(120W)
-
19
73
•防水、耐高溫;正常使用時,可耐摔、耐磨擦。
•任何角度完全可撓,捲曲度超大,恢復後不傷害太陽能板。
•重量為一般太陽能板之1/5、厚度為1%。•最大輸出功率10W,適用手機、PDA、GPS、iPod等產品的供電。
•不到500公克,是筆記型電腦最輕薄的備用電力。
•廠牌:美國IOWA•售價:NT$9,880
可捲式太陽能板(10W)
74
•隨處固定、使用便利
•貼心排水設計
•不銹鋼外殼,堅固耐用
•居家造景必備
•解決戶外燈具線材外露的問題,增加安全性。
•售價:NT$2,300
太陽能座立式庭園燈
75
•免安裝
•插入點煙插座即可供電
•售價:NT$990
太陽能汽機車電瓶充電器(12V)
76
太陽能路燈照明
-
20
77
能源衛星
78
太陽能或其它發電產生電力
微波產生器
聚焦天線
接收天線
電力轉換器
各種電力應用方式
無線電力傳輸的原理
79
太陽光發電系統
80
各式電動車
-
21
81
混合動力電動車(Hybrid Electric Vehicle,HEV)
•結合電動車與引擎汽車之動力系統優點。•將電能馬達,與燃料引擎互補,能有效降低油耗。
TOYOTA以HSD油電複合動力為基礎第二代PRIUS
82
動作原理:
1.啟動2.中低速度駕駛3.一般行駛狀況
混合動力電動車4.高速行駛5.急加速和全速行駛6.減速7.靜止
83
優點:1.行駛時,低排放廢氣、無污染
2.能源效率高、使用費用低廉
3.噪音、振動低和較安靜4.防燙傷5.減輕對石油的依賴6.免加油及交燃料稅7.啟動容易
混合動力電動車
缺點:
1.電瓶性能有待提昇續航力不足
2.電瓶充電時間過長
3.充電站短缺
4.行駛距離短5.車輛重
6.電池成本高7.技術瓶頸待突破(電池,動力系統、充電器、馬達、整車業
者,煞車回充技術等) 84
宇宙太陽發電所(Space Solar Power System, SSPS)
-
22
85
宇宙太陽發電所(Space Solar Power System, SSPS)
86
太陽能車
87
高速鐵路、捷運
88
健康器材
-
23
89
CD-ROM、 DVD-ROM
90
空調壓縮機馬達、磊浦、 風扇
91
+_
比例-積分速度控制器
0* =di
*qi
*ai
*bi
*ci
ai bi
e
AC 220V
限制器
ci bv
永磁同步馬達
三相整流電路
L
C 反流器+−
av cv
三相/兩相座標轉換
滑動模式電流觀測器
實際系統之轉換
電壓估測
切換增益
+-
-+
脈寬調變及電流控制
磁通位置及轉速估測
正弦及餘弦產生及座標
轉換
DSP 控制板
隔離驅動電路
電流感測電路及
類比/數位轉換電路
電壓感測電路及
類比/數位轉換電路
∗eω
eθ̂
eω̂
eθ̂ eω̂
Σ
ΣΣ
sqs
sds vv ,
qd vv ,
qd vv ˆ,ˆs
qss
ds ii ˆ,ˆ
α
α
α
sqs
sds ii ,
qd vv ˆ,ˆ+_
比例-積分速度控制器
0* =di 0* =di
*qi*qi
*ai*ai
*bi*bi
*ci*ci
aiai bibi
e
AC 220V
限制器
cici bvbv
永磁同步馬達
三相整流電路
L
C 反流器+−
avav cvcv
三相/兩相座標轉換
滑動模式電流觀測器
實際系統之轉換
電壓估測
切換增益
+-
-+
脈寬調變及電流控制
磁通位置及轉速估測
正弦及餘弦產生及座標
轉換
DSP 控制板
隔離驅動電路
電流感測電路及
類比/數位轉換電路
電壓感測電路及
類比/數位轉換電路
∗eω
eθ̂
eω̂
eθ̂ eω̂
Σ
ΣΣ
sqs
sds vv ,
qd vv ,
qd vv ˆ,ˆs
qss
ds ii ˆ,ˆ
α
α
α
sqs
sds ii ,
qd vv ˆ,ˆ
• 電力轉換器之開發及其驅動控制• 轉矩改善策略及高性能控制方法之研發• 無位置感測器控制• 噪音及振動消除技術• 電機控制之特殊用途積體電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)或系統單晶片(SOC)設計• 微型切換磁阻馬達設計、製作、整合及測試
馬達驅動技術發展
92
傳統日光燈
-
24
93
電子安定器
(1) 高效率光源體之開發(包括無電極氣體放電燈、複金屬燈、直管/緊湊螢光燈等)。
(2)高效率光源體特性研究。
(3)照明用發光二極體製造技術開發。
(4)新型光源體特定電源供應器(電子安定器)開發技術。
(5)高效率照明系統控制技術。
(6)建築物照明系統規劃與配光曲線分析
(7)新型照明設備燈具設計
94
家庭及工業加熱
‧ 電磁爐
• 工業感應加熱
95
電焊機
96
加熱器
-
25
97
諧波之影響
98
Harmonic Guidelines: IEEE 519 、IEC 555-2 Class D
99
APF
~sEsI
oISource
Nonlinearload
disLqLpLL IIII ,11 ++=
disLqL II ,1 +=
= IL1p
IL1p : real powerIL1q : reactive powerIL,dis : distortion
Loadcurrents
APF currentA phase
B phase
C phase
Neutral line
SourceCurrents
&voltages
Loadcurrents
APF currentA phase
B phase
C phase
Neutral line
SourceCurrents
&voltages
主動式電力濾波器補償負載之諧波、虛功率、不平衡等使輸入功率因數接近一以改善電力品質
非線性負載
100
高壓直流傳輸(HVDC)
-
26
101
電力電子所需之技術Circuittheory Systems and
control theory
Signalprocessing
Electronics
ElectromagneticsPowersystem
Electricmachines
Simulationand computing
Solid-statephysics
Powerelectronics
102
超音波馬達驅動
103
轉子運動方向
轉子
定子
行進波行進方向
定子表面質點運動軌跡
超音波馬達驅動原理
104
壓電材料原本的形狀
施加交流電壓於壓電材料的兩端時,因為電壓是正負交替的形式,由「逆壓電效應」可知壓電材料的伸長或收縮會不斷地交替變化,即產生振動現象,而振動的頻率亦與所加入的電壓頻率有關。
超音波馬達基本原理~逆壓電效應
-
27
105
超音波馬達應用(一):
使用超音波馬達驅動的照相機鏡頭
106
超音波馬達應用(二):
NASA所設計的無人探測船原型,其機械手臂採用超音波馬達驅動。
超音波馬達
107
超音波馬達的尺寸可以做得非常小,圖中的超音波馬達長度只有5 mm。
結構:
此馬達是使用圓柱型的壓電陶瓷將其面積分成四份並塗上電極。
原理:
當通過適當的驅動電壓後,圓柱的頂端會產生均勻地旋轉運動。
應用:
未來可以應用在生物科技、醫療科技與軍事工業中。 108
超音波洗淨機
-
28
109
超音波洗淨工作原理:
超音波洗淨是以每秒4萬6千次(46 kHz)高速振盪在液體中傳導,推動介質的作用,使液體之分子間產生壓力變化,造成空穴效應(cavitation)。
接著,利用空穴效應的作用產生無數微小的真空汽泡,此氣泡亦會在受振盪壓迫裂時,產生強大的衝擊力,使待清洗表面的細縫死角之汙物剝離,達到徹底洗淨之功能。
110
謝謝聆聽!
歡迎指教!