电气工程及其自动化专业导论PPT第4章[31页]课件.pptx
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1、哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业导论电气工程及其自动化专业导论戈宝军戈宝军 陶大军陶大军 付敏付敏 周永勤周永勤 刘骥刘骥职务:教授职务:教授单位:哈尔滨理工大学单位:哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学目目 录录电气工程及其自动化专业导论电气工程及其自动化专业导论第1章 电气工程及其本科教育第2章 电机电器及其系统第3章 电力系统及其自动化第4章 电力电子与电力传动第5章 高电压与绝缘技术第6章 电工理论与新技术哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动第四章目录第四章目录4.1 电力电子与电力传动的发展历程4.2 电力电子技术的基本内容4.3 电力传动系统的类型及应用4.4 电力电子技术的应用4
2、.5 电力电子与电力传动技术的发展趋势哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 电力电子与电力传动主要研究新型电力电子器件、电能的变换与控制、功率源、电力传动及其自动化等理论和应用技术,是综合了电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算机等技术的新成就而迅速发展起来的交叉学科,是电气工程领域的核心学科。信号与系统电子技术电磁场电路基础学科基础课大学物理复变函数与积分变换线性代数高等数学自然基础课电力系统基础电力电子技术基础电机学自动控制原理专业基础课新能源发电技术电能质量控制技术电源变换技术电机控制技术专业核心课 电力电子与电力传动专业方向主要学习与电能变换、电力拖动,以及自动化控制相
3、关的学科基础课程和专业方向课程,主要课程有: 能量是人类社会的永恒话题,电能是最优质的能量流,是运动控制的动力之源,电力电子和运动控制就像人的肌肉与四肢对人体的作用一样,因此,电力电子与电力传动技术将青春永驻。哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动4.1 电力电子与电力传动的发展历程4.1.1 电力电子技术的发展历程 电力电子器件对电力电子技术起着决定性的作用,电力电子技术是伴随着电力电子器件的出现和发展而发展的。 60多年来电力电子技术的发展先后经历了整流时代、逆变时代和变频时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。从技术应用水平上看,电力电子技术可以分为两大阶段:19571980年称
4、为传统电力电子技术阶段,1980年之后至今称为现代电力电子技术阶段。第4章 电力电子与电力传动哈尔滨理工大学4.1 电力电子与电力传动的发展历程4.1.1 电力传动技术的发展历程 电力传动经过了一个漫长的发展过程。古代动力的来源是人力、畜力;后来出现了借助于风力、水力传动的生产机械;再以后,发明了热机(蒸汽机、内燃机、柴油机),就以高温蒸汽为动力;直到十九世纪出现了电能,就以电能为动力带动生产机械。从此,人类从繁重的体力劳动中解放出来。 19世纪末电动机取代蒸汽机,开始形成成组拖动;20世纪20年代开始采用单机拖动,30年代开始采用多电动机拖动;四五十年代,随着电机放大器和磁放大器的问世,基于
5、它们的闭环连续控制系统得到广泛应用。从60年代起,随着电力电子技术的出现和发展,电力电子变流器取代了电机机组变换,有力地推动了电力传动领域的技术革新,促进了交直流传动的快速发展与应用。特别是80年代以来,交流变频调速的发展,使电力传动发展到一个全新的境界。 电力传动系统分为交流电力传动系统和直流电力传动系统,它们都是在19世纪先后诞生。在电力传动系统发展史上,交、直流两大电力传动系统一直是二者互为补充、相辅相成、交替发展。 微处理器引被入控制系统以后,促进了模拟控制系统向数字控制系统方向的转化,也促进了电力传动智能化的发展。哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 1974年,美国学者W.E.
6、Newell认为电力电子学是一门交叉于电气工程三大学科领域电力学、电子学和控制理论之间的边缘学科,自此,国际上开始普遍接受了这一观点。4 4. .2 2 电力电子技术的基本内容电力电子技术的基本内容 电力电子技术是一门将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域,利用由半导体电力开关器件组成的各种电力变换电路对电能进行变换和控制的一门新兴学科。 20世纪60年代,该学科被国际电工委员会命名为电力电子学或功率电子学,又称电力电子技术。“电力电子技术”和“电力电子学”是分别从工程技术和学术两个不同角度来称呼的,其实际内容并没有太大的差异。 电力学、电子学和控制理论是电力电子技术的三根支柱,但这三根支
7、柱的粗细并不一样。其中,电子学最粗,这说明电力电子技术和电子学具有密切关系。其次是电力学,即应用于电力领域的电子技术。控制理论最细,但控制理论在电力电子变流装置和系统中得到了有机而广泛的应用。 具体地说,电力电子技术是一门研究各种电力半导体器件,以及如何利用由这些电力电子器件构成的各种电路或装置、电路理论和控制技术高效地完成对电能进行处理、控制和变换的技术。主要由电力半导体器件、电力电子变换电路及其控制技术电力半导体器件、电力电子变换电路及其控制技术三大部分组成。第4章 电力电子与电力传动4.2 电力电子技术的基本内容4.2.1 电力电子器件及其功率集成 电力电子器件又称电力半导体器件,它是电
8、力电子系统的心脏,是电力电子电路的基础。电力电子技术的不断突破和发展都是围绕着各种新型电力电子器件的诞生和完善进行的,一代电力电子器件带动一代电力电子技术应用。电力电子器件的实物如下图所示。哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动4.2.1 电力电子器件及其功率集成电力电子器件按电力电子器件按可控性分可控性分:不可控器件:电力二极管不可控器件:电力二极管半控器件:晶闸管及派生器件半控器件:晶闸管及派生器件全控器件:典型的有全控器件:典型的有4种种GTOGTRMOSFETIGBT电流型电压型1、电力电子器件、电力电子器件 自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来,电力电子技术开始登上了现代电力传
9、动技术舞台,普通晶闸管不能自关断的半控型器件被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高,先后研制出GTO、GTR、MOSFET、IGBT等自关断全控型第二代电力电子器件。90年代中后期,电力电子器件朝着复合化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展,称为第三代电力电子器件,逐渐形成了以电力电子技术理论研究、器件开发研制、应用渗透性研究为主的新领域。哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 20世纪90年代中后期开始,模块化成为趋势,将多个器件封装在一个模块中,称为功率模块。功率模块可缩小装置体积,降低成本,提高可靠性。 将器件与逻辑、控制、保护、传
10、感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上,称为功率集成电路(Power Integrated CircuitPIC)。习惯上将功率集成电路分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。4.2.1 电力电子器件及其功率集成2、功率模块与功率集成电路、功率模块与功率集成电路 三菱电机公司在1991年推出智能功率模块(IPM)是较为先进的混合集成功率器件,由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成,其基本结构如图所示。哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 近20多年来,SiC作为一种宽禁带功率器件,受到人们越来越多的关注。SiC半导
11、体的发展改善了功率开关器件的硬开关特性,其高频、高压、耐高温、开关速度快、损耗低等特性,使电力电子系统的效率和功率密度朝着更高的方向前进。目前SiC器件的主要类型如下图所示。4.2.1 电力电子器件及其功率集成3、宽禁带、宽禁带SiC器件器件哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 由于电力电子技术主要用于电力变换,因此可以认为变流技术是电力电子技术的核心和主体。所谓电力电子变流技术就是在电源和负载之间,将电压、电流、频率、相位、相数中的一项或多项加以改变的技术。 在电力电子变流技术中,不同的用途对应有不同的拓扑电路,这些拓扑电路由电力电子器件构成,统称为电力电子变流器或变换器。根据电力电子变
12、流器输入或输出分别是交流或直流,共有四种变换方式,对应的电力电子变流器可分为四大类,即交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流,如下表和下图所示。4.2 电力电子技术的基本内容4.2.2 电力电子变流技术哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 电力电子技术就是变换电能的技术,它借助数学、软件等各种工具,通过合理选择使用电气电子元器件和相关拓扑变换电路,应用各种控制理论和专门技术,高效、实用、可靠地把得到的电源变为所需要的电源,以满足不同负载的要求。电能变换与控制的基本功能框图如图所示。 控制技术在电能变换中起着十分重要的作用,电力电子器件的主要特点是能用较小的信号输入来控制很大的功率输
13、出,这就使得电力电子变流器成为强电和弱电之间的接口,控制技术正是实现这一弱电控制强电接口的强有力桥梁。4.2 电力电子技术的基本内容4.2.3 电力电子控制技术 控制技术包括模拟技术和数字技术两种,模拟技术以模拟电子技术为基础,数字技术以数字电子技术为基础,工程中模拟技术和数字技术都会融合在一起使用。哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 由于电能的传输与分配比较高效、易行,所以目前大部分生产机械的原动机采用的都是电动机。电力传动是以电动机为控制对象,按生产机械的工艺要求进行电动机转速或位置控制的自动化系统,简称电力传动系统。典型的电力传动系统原理框图如图所示。4.3 电力传动系统的类型及应
14、用4.3.1 电力传动系统的主要类型哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动4.3 电力传动系统的类型及应用4.3.1 电力传动系统的主要类型 电力传动系统也可以称为运动控制系统,其种类繁多,用途各异,主要类型有:多电机传动单电机传动成组传动从发展历程分交流电力传动直流电力传动从电机类型分连续控制系统断续控制系统从控制角度分位置控制系统速度控制系统从控制参数分节能调速传动牵引调速传动伺服调速传动工艺调速传动从调速应用角度分哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动4.3 电力传动系统的类型及应用4.3.1 电力传动系统的主要类型 直流电力传动和交流电力传动都是在19世纪诞生的,但当时的电力传动系
15、统是不调速系统,只是一些简单的继电、接触、开关控制。随着社会化大生产的发展,生产制造技术越来越复杂,对生产工艺的要求越来越高,这就要求生产机械能够在工作速度、快速启动和制动、正反转运行等方面具有较好的运行性能,从而推动了电动机调速技术的发展。直流电力传动系统与交流电力传动系统的构成如图所示。 显然,电力传动和电力电子装置关系十分密切,调速传动的控制装置主要是各种电力电子变流器,它为电动机提供可控制的直流或交流电源,并成为弱电控制强电的媒介。哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动4.3 电力传动系统的类型及应用4.3.2 电力传动的应用 需要对电机的速度和力矩特性进行控制的场合,就有电力传动的
16、应用,所以电力传动应用领域非常广阔。随着社会发展的更高需求,电力传动已经深入到社会生活的各个方面。下图是使用了电力传动技术的系统或设备。 电力传动与自动化控制密切相关,在工业应用方面,电力传动及其自动化在当代成套设备中所占的比重越来越大,重要性越来越突出,更新换代也越来越快。许多重大装备的技术水平主要由电力传动及其自动化的技术水平决定。许多生产设备的技术改造,也主要是电力传动及其自动化部分的更新换代。哈尔滨理工大学第4章 电力电子与电力传动 随着自动化程度的不断提高,电力传动将成为更经济地使用材料和资源,以及提高劳动生产率的强有力手段。由于生产技术的发展,特别是精密机械加工和冶金、交通、航天等
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