电机原理与电力拖动系统 PPT课件电变 2022 绪论（ 20220219, 21）V2.2

1、电能变换原理与系统(课号：30250344-0)专业限选课，64学时， 每周2次课，周1：第4大节（15:20）；周3: 第4大节教学组成员：主讲：杨耕，办公室: 中主716，13910519575， 耿华, 办公室: 中主702，13810557460，实验：薛文轩 （ 13301161460, ）助教：何长军（15827287452），李佳奇（13593729436） 12n课前：在网络学堂下载课件（课上用PDF，一些辅助资料如仿真模块，补充讲义等），课前一定要浏览课件并按要求预习相关内容n课堂/雨课堂上课n课后：复习，有自学内容；在网络学堂上传作业（word/PDF/图片）；n“清华学堂2018”上的微信群：通知/互动 与课程相关的事情；授课和交流：网络学堂+ 雨课堂 + 微信群互动重要，自学重要。请对上课方式及时给出可行的建议等（微信/电邮）第一章 绪论31.1 课程内容及其应用背景 （课前自学/课上浏览） 1.1.1 课程背景 1.1.2 认识电力电子技术 1.1.3 认识机电变换技术1.2 课程的目的、特点、要求及教学安排 （讲授） 1.2.1 课程的特点和目的 1.2.2

2、 内容安排 1.2.3 教学方法/要求 1.2.4 考核与评价1.1 课程内容及其应用背景1、宏观背景I : 各种能源利用的情况2、课程在专业培养中的作用3、宏观背景II: 双碳战略41.1.1 课程地位 宏观背景1、宏观背景I: 世界各种能源的利用1）一次能源与电能（2015年 27.7PWh）52）电能的主要领域一些术语：一次能源，二次能源；电能：Wh；., PWh：万亿瓦时 功率：KW, MW, GW, TW，PW）电能电能电能电能磁能磁能磁能磁能机械机械机械机械/ / / /热能热能热能热能声能声能声能声能光能光能光能光能电能电能电能电能p电能变换特点：便捷、高效、环保、智能p电能变换应用：几乎所有领域: 国防装备、工业制造、医疗装备的核心技术电能应用场景和意义关键：(1) 最易使用的能源形式 ; (2) 易从可再生能源/其他一次能源获取，环境友好（后面讲）;(3) 易控制 （执行机构）。所以全球趋势：全电化（Electrification）/多电化（Multi-electricity）电能电能电能电能电能电能磁能磁能声能声能热能热能光能光能机械式飞机航电系统机械式飞机航电系统

3、全电化飞机航电系统全电化飞机航电系统各种照明各种照明高铁高铁/磁悬浮列车磁悬浮列车蒸汽火车蒸汽火车煤油灯煤油灯连铸电加热成套装置连铸电加热成套装置原始锻造原始锻造大型圆柱状基阵声纳大型圆柱状基阵声纳美国海军拖曳声纳美国海军拖曳声纳电能应用场景和意义Toyota Prius: 燃耗为燃耗为30km/L 混合动力车：HEV: Engine Battery +Capacitor +Inverter离合变频器蓄电池引擎发电机电动机变速机蓄电池控制器车辆控制器蓄蓄电池池辅助系助系统发动机机 变频器器辅助系助系统8试以混合动力汽车中的现象说明其进行的下述能量变换（1）电能机械能（2）电能化学能（3）电能电能 （假定是交流电动机，于是变频器用于“直流/交流变换”）（4）电能光能（5）机械能热能作业：作业：9电能变换技术电-电变换 （各种电源）电-热变换 （冶炼）电-化变换 （各种电化学系统）电-磁/光变换 （各种光源）电-机变换 （机电一体化系统）电-机 变换（电能使用率50%）最为典型的系统为电机拖动控制系统（1）能量变换：“电-电变换”与“电-机变换”；（2）典型系统：构成，控制；解决一类实际的

4、工程问题。本课程内容：电-电变换：电力电子技术基础电-机变换：电机原理/电机控制系统2、课程在专业培养中的作用清华自动化专业 该课程体系的变化19952003年： l本科生：电机与拖动/ 电力电子技术/ 电机控制系统 （必选）20042019：l本科生： 电力电子技术（必修）/ 电力拖动与运动控制系统（限选）l研究生： /机器人动力学 （选）/ 新能源发电系统2020 : 本科生：电能变换原理与系统（限选）：两课合一公共课、数学、物理、计算机语言等公共课、数学、物理、计算机语言等电路、模电数电、计算机原理、软件工程电路、模电数电、计算机原理、软件工程控制理论、控制理论、 电力电子技术电力电子技术电力拖动与运动控制系统电力拖动与运动控制系统机器人机器人10电能变换原理与系统11中国面临的挑战1 人口问题（例如老龄化：现在是10.5%，很快到12%的中级老龄化时代）2 能源革命，中国的“双碳战略” 3 .3、宏观II: 碳中和问题“双碳”战略目标 是中国提出的两个阶段碳减排奋斗目标：二氧化碳排放力争二氧化碳排放力争于于20302030年达到峰值，努力争取年达到峰值，努力争取20602060

5、年实现碳中和年实现碳中和碳中和碳中和: 指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳/温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。历史上，环境变化引发过太多的灾难导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料（煤、石油等），导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料（煤、石油等），排放出大量的二氧化碳等多种温室气体。温室气体导致全球气候变暖。全球变暖会使全排放出大量的二氧化碳等多种温室气体。温室气体导致全球气候变暖。全球变暖会使全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等，不仅危害自然生态系统的平衡，球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等，不仅危害自然生态系统的平衡，还威胁人类的生存。还威胁人类的生存。中国的责任能源革命第三次工业革命（杰里米里夫金，2011）：如果说科技是第一生产力，那能源就是第一支撑力；新型通信技术与能源体系相结合，经济革命才有可能发生新型通信技术与能源体系相结合，经济革命才有可能发生；互联网技术和可再生能源相结合，正在催

6、生第三次工业革命。12为何要“双碳”,生态文明1751-2017 主要国家地区主要国家地区二氧化碳累计排放量二氧化碳累计排放量iTLightingMotorDrives实现双碳战略的途径：l新能源新能源（一次能源）（一次能源）l节能节能（能源使用），（能源使用），l少用煤，少用煤，改进燃煤技术，脱硫技术改进燃煤技术，脱硫技术l绿化，绿化，l. .前两个产业离不开电能变换技术1.1.2 认识 电力电子技术141、电力电子技术的定义2、应用 电力电子技术 进行电能变换例关键词: 电能形式变换 、电力电子器件、变换电路与系统15 1974 年, 美国学者W. Newell（威廉.纽厄尔）首次提出了电力电子技术的定义，并用“倒三角”图表示其学科交叉内涵：电力电子技术是由电子学、电力学及控制学组成的交叉学科。1、什么是电力电子技术近30 - 40年，电气工程领域中，PE是发展最快的行业。电力电子装置：在商用电源（或其他电源如电池）与负载之间（这两者一般都为模拟性质），开关/离散性质的变换器根据三者的特性完成能量变换的任务162、应用电力电子技术进行电能变换例各种全控型器件（GTR、IGBT、MO

7、SFET、IPM）电力电子器件例c)AK电力电子装置例：各种电能变换集成技术，以开关电源为例基本的DC-DC（早期的充电器） PE 的节能的效果 （US Electrical Power Research Institute (EPRI), 2012）uSaving 30% of energy consumption in motor drives : 相当于35个三峡电站uUsing LED will save 44个三峡电站发电量18电力电子的分布式集成系统例：IT产业的电源系统：l为什么要把芯片电源的电压不断降低？l为什么要不断提高服务器机房的电源效率？l中国2022：西数东算注：不同领域对高低压的划分不一样！注：不同领域对高低压的划分不一样！19第第6次提速用的动车次提速用的动车（2007,300km/h）和谐号和谐号380A380A（2017,2017,实验速度实验速度486km/h486km/h）电力电子装备例：高铁的电驱动技术全国运营总里程：全国运营总里程：2.9万公里，全世界的万公里，全世界的2/3。目前在线的车型目前在线的车型 CRH380A， 达到最高时速达到最高时

8、速 486.1km。右图：右图：HX_D1C型大功率交流传型大功率交流传动电力机车主电路：动电力机车主电路：AC DC AC例子：CRH380A：进线电压27.5kV单相，变压器 3.6MVA副边电压2100V单相，变流器总容量1.2MVA（ AC-DC-AC驱动同步电机）新车型新车型: 2014年试验台测试年试验台测试时速时速 605km。名为“箭”的头型被选中，其气动噪声、气动阻力参数最优21电力电子电力系统例：西电东输与高压直流输电（HVDC）高压直流输电（HVDC）u输送段“低压AC 高压DC”u目的地“高压DC低压AC”近10年，我国处于世界领先“多端传输线路”传统的电力系统水电站水电站大型火电站大型火电站发电发电输电输电配电配电电力电子化的电力系统（下页）23AC DISTRIBUTIONPHEVnECCWINDPVHOUSEHOLD LOADSAC nanoGRIDPVWINDnECCDC picoGRIDPHEVpECCCONSUMER ELECTRONICS LOADS交流微电网交流微电网pECCnECCnECCpECCpECCnECCDC picoGRIDPHEVp

9、ECCDC DISTRIBUTIONWINDPVPHEVnECCHOUSEHOLD LOADSDC nanoGRIDPVWINDnECCCONSUMER ELECTRONICS LOADS直流的微电网直流的微电网nECCpECCpECCnECC24坚强电网的传统发电厂和新型传输系统ECCHVACTRANSMISSIONCOMBUSTIONNUCLEARHVDCTRANSMISSIONGECCGECCHYDRONUCLEARHVACTRANSMISSIONECC25AC DISTRIBUTIONPHEVnECCWINDPVHOUSEHOLD LOADSAC nanoGRIDPVWINDnECCDC picoGRIDPHEVpECCCONSUMER ELECTRONICS LOADS交流微电网交流微电网pECCnECCnECCpECCpECCnECCDC picoGRIDPHEVpECCDC DISTRIBUTIONWINDPVPHEVnECCHOUSEHOLD LOADSDC nanoGRIDPVWINDnECCCONSUMER ELECTRONICS LOADS基于基于DC的微电网的微

10、电网nECCpECCpECCnECC坚强电网的传统发电厂和新型传输系统ECCHVACTRANSMISSIONCOMBUSTIONNUCLEARHVDCTRANSMISSIONGECCGECCHYDRONUCLEARHVACTRANSMISSIONECC Energy Flow in Sustainable FutureUp to 80% of total energy consumption will be supplied by electricity RenewableNuclearBiofuelsNatural GasPetroleumResidentialCommercial40%Industrial30%Transportation30%几乎所有的电力变换，都离不开PE技术储能装备的应用（电-化变换等） 1.1.3 认识 机-电变换系统27课程只讲解“电机拖动控制系统”1、电动机/发电机2、电力拖动3、电机控制系统（运动控制系统）1、认识电动机（发电机）：机电能量变换的主要装置282、认识电力拖动PWMInverterDigitalController29用“四象限图”表示功

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