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

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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

9

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

13

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。

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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

22

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。

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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。

24

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

25

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。

26

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

27

• 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！