第4章 从强电到弱电

共66页第1页第一节半导体技术导体技术的发展1、什么是半导体共66页第2页导体技术的发展2、半导体的发现3、半导体发展史4、半导体发现的意义真空管半导体共66页第3页导体技术的发展集成电路共66页第4页半导体器件与半导体工作的基本原理（1）PN结共66页第5页半导体器件与半导体工作的基本原理（2）二极管（3）二极管的类型a)点接触型b)面接触型c)平面型共66页第6页正向死区电压击穿电压I/mA-20-40I/μAU/V00.80.4-25-50UBR反向I/mA-20-40I/μAU/V00.40.2-25-5040206051015a）b）ABCD二极管的伏安特性2CP10硅二极管2AP2锗二极管共66页第7页半导体器件与半导体工作的基本原理（4）晶体三极管N集电区P基区N发射区集电极CEB基极发射极发射结集电结BCTEa）P集电区N基区P发射区集电极CEB基极发射极发射结集电结BCTEb）µAmAmARBRPEBECRCTIEIBICc）NPN型PNP型共66页第8页半导体器件与半导体工作的基本原理N集电区P基区N发射区集电极CEB基极发射极发射结集电结BCTEa）P集电区N基区P发射区集电极CEB基极发射极发射结集电结BCTEb）µAmAmARBRPEBECRCTIEIBICc）三极管电流实验分配接线共66页第9页半导体器件与半导体工作的基本原理（5）MOS场效应管也称金属氧化物半导体场效应管分为耗尽型和增强型共66页第10页半导体器件与半导体工作的基本原理（6）晶闸管结构：四层半导体、三个PN结P1N1P2N2AJ1J2J3GKKGAa）AGKERPNPNPNIaIc1Ic0Ic2IgIkb）晶闸管的结构共66页第11页半导体器件与半导体工作的基本原理P1N1P2N2AJ1J2J3GKKGAa）AGKERPNPNPNIaIc1Ic0Ic2IgIkb）晶闸管的等效电路图共66页第12页半导体器件与半导体工作的基本原理(7)集成电路三次变革：1、以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。2、Foundry公司与IC设计公司的崛起。3、IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段。共66页第13页半导体器件与半导体工作的基本原理(8)微处理器（CPU）是一种大规模集成电路共66页第14页半导体制造过程共66页第15页第二节电力电子技术电力电子学是从电工学分支出来的，是由电力系统、控制理论和电子学等学科发展起来的新型边缘性学科。电力电子学的特点是具有很强的应用性和与其他学科的交叉融合性，也是电力电子学的基础理论和应用技术在短短的几十年间得以飞速发展的一个重要因素。共66页第16页电力电子学定义与应用1、定义电力电子学（电力电子技术）电子学器件、电路电力学静止电力变换旋转电力变换连续数字控制控制控制学电力电子技术的Newell定义共66页第17页电力电子学定义与应用电力电子技术模拟和数字电子学微机应用控制理论超大规模集成电路功率半导体器件电力变换电路计算机辅助设计（CAD)电力电子技术的新定义共66页第18页电力电子学定义与应用2、电力电子技术的构成电力半导体器件、电力电子成套装置及控制理论构成。共66页第19页电力电子学定义与应用3、电力电子技术的应用范围1．在电力系统中的应用发电环节、输配电系统、储能系统等方面。飞轮储能系统共66页第20页电力电子学定义与应用2.在电机调速传动中的应用共66页第21页电力电子学定义与应用3．在工业生产供电电源中的应用共66页第22页电力电子学定义与应用4．在汽车工业中的应用电子开关替代传统的机械开关无触点点火电子自动变速改造直流电源系统电子监控共66页第23页共66页第24页电力电子学定义与应用5．在航天及国防中的应用6．在民用与消费品方面的应用共66页第25页电力电子学定义与应用4、电力电子技术的作用电力半导体器件共66页第26页电力电子学定义与应用家庭领域工业自动化环保方面共66页第27页电力电子器件电力整流管共66页第28页电力电子器件普通晶闸管及其派生器件共66页第29页电力电子器件全控型电力电子器件门极可关断晶闸管（GTO）大功率晶体管共66页第30页双极型静电感应晶体管（BSIT）功率场效应晶体管共66页第31页大功率晶体管（GTR）共66页第32页电力电子器件复合型电力电子器件绝缘门极双极型晶体管（IGBT）共66页第33页MOS控制晶闸管（MCT）共66页第34页电力电子器件功率集成电路（PIC）共66页第35页电力电子技术在各个领域中的应用（一）功率变换技术整流器斩波器逆变器调压器变频器ACACDCDC电能的变换形式共66页第36页电力电子技术在各个领域中的应用交流输入PFCDC/DC5V3.3V12VAC/DCDC/ACAC/DCAC/DCAC/DC典型的整体电源结构共66页第37页电力电子技术在各个领域中的应用DC/DCPFC交流输入前端DC母线48VDC5VDC3.3VDC12VDCDC/ACAC/DCDC/ACAC/DC直流分布结构示意图共66页第38页电力电子技术在各个领域中的应用（二）电力系统中的电力电子技术1．电磁兼容、谐波抑制及电力质量控制2．在柔性交流输电中的应用3．在高质量供电方面的应用共66页第39页电力电子技术在各个领域中的应用AC/DC整流器PFC/逆变器5VDC3.3VDC12VDC交流输入前端HFAC母线48VAC交流分布电源结构（ACDPA）共66页第40页电力电子技术在各个领域中的应用控制电路开关控制信号同步ABCLaLbLcD1D3D5S1S2S3IloadD4D6D2C1C2电容负载三相不控整流器电流波整形技术拓扑共66页第41页电力电子技术在各个领域中的应用VaVbVcASD异步电动机整流器1整流器2IaIbIcIS1IS2Io1Io2Io中心抽头扼流线圈逆变器常规12脉电力电子系统共66页第42页电力电子技术在各个领域中的应用UPFC输出线路电源母线装UPFC的系统结构共66页第43页电力电子技术在各个领域中的应用供电质量监视控制中心双向能量传输转换系统配电网储能系统柔性配电系统的控制元件构成图共66页第44页电力电子技术的发展新器件共66页第45页电力电子技术的发展21世纪电力电子的研究与发展的重点能源、环保、信息与通信、生命科学、生产、材料、交通共66页第46页第三节计算机的发展与应用计算机的发展共66页第47页计算机的发展存储器存储器运算器运算器输入设备输入设备输出设备输出设备控制器控制器计算机硬件结构框图存储器存储器运算器运算器输入设备输入设备输出设备输出设备控制器控制器计算机硬件结构框图计算机硬件结构共66页第48页计算机的发展模型计算机CPU内部逻辑示意图共66页第49页第四节计算机控制系统计算机控制=计算机技术+自动控制理论+通讯技术+网络技术特点：1.用软件可以实现复杂的控制规律；2．可以显示、存储、打印系统的运行状态，具有报警功能，人机接口功能；3．控制规律可以很方便的改变；4．通讯组网功能。共66页第50页计算机控制系统模拟调节器执行机构被控对象测量变送器设定值revu被调参数v-单回路常规控制系统共66页第51页计算机控制系统计算机D/A保持器u被控对象测量变送器采样器A/D被调参数Vuu（kt）e（kt）设定值r（kt）Ym（kt）计算机系统单回路计算机控制系统共66页第52页计算机控制系统的组成微型计算机实时时钟操作台显示终端磁盘驱动器打印机通用外部设备主机及操作台软件接口接口接口接口接口A/DD/A开关量输入开关量输出多路开关反多路开关外部通道变送器传感器执行机构测量及变送生产对象控制对象计算机控制系统原理图共66页第53页计算机控制系统的组成软件部分计算机控制系统硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道人—机联系设备、通信设备现场仪表（测量传感器、执行机构等）操作系统汇编或高级语言、过程控制语言通信网络软件、诊断程序等系统软件应用软件过程输入/输出程序、过程控制程序人机接口程序、打印显示程序各种公共子程序历史数据库、实时数据库共66页第54页计算机控制系统的分类微型机A/D转换器采样器测量元件工业对象调节器显示终端打印机操作指导控制系统组成框图共66页第55页操作指导控制系统操作指导控制系统的特点:（1）结构简单，控制灵活和安全；（2）可减少大量常规显示、记录仪表；（3）无输出过程通道；（4）人工操作，速度受到限制，不易控制多个对象。共66页第56页操作指导控制系统CRT打印机报警数字计算机过程输入通道测量测量执行被控生产过程人计算机巡回检测系统共66页第57页操作指导控制系统CRT打印机报警直接数字控制（DDC）计算机过程输入通道测量变送测量变送执行机被控生产过程操作台过程输出通道执行机计算机直接数字控制（DDC）系统共66页第58页计算机直接数字控制（DDC）系统工程人员用数字设定器数据设定文件用户运转设备CO2浓度传感器空调机回风机过滤器网络干线温度传感器温度传感器电动门变换器加湿器新风机回风机风机盘管单元风门风门输入接口控制演算单元输出接口通信文件中央监控机至别的控制器（相互通信）DDC控制器AIDIAODO·调出监控点·启停设定状态报警·程序数据·瞬时/积算MDDC系统实例框图共66页第59页计算机直接数字控制（DDC）系统DDC控制的特点：（1）系统直接控制生产过程，属闭环控制；（2）可控制多个回路；（3）可实现灵活的控制算法，改变软件即可；（4）对计算机要求实时性好、可靠性高。共66页第60页计算机监督控制（SCC）系统SCCTA/D多路开关检测元件生产过程T给定值测量值管理命令报告SCC+模拟调节器控制系统共66页第61页计算机监督控制（SCC）系统SCC给定值测量值DDCD/AA/D多路开关反多路开关检测元件生产过程管理命令报告SCC+DDC控制系统共66页第62页计算机监督控制（SCC）系统企业级经营管理计算机工厂级集中控制计算机车间级监控计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D至其他工厂至其他工厂分级计算机控制系统层次结构共66页第63页计算机监督控制（SCC）系统监督控制计算机CRT操作站高速数据通道基本调节器基本调节器被控对象被控对象集散型计算机控制系统共66页第64页计算机集散控制系统（DCS）DCS定义：采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。特点：①控制分散，显示操作集中；②系统可靠性高。共66页第65页现场总线控制系统现场总线控制系统结构模式为：“工作站——现场总线智能仪表”二层结构。用数字信号取代模拟信号，使得现场仪表发送的信息可经串行总线传至操作站。FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。共66页第66页计算机集成控制系统（CIMS/CIPS）经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第一层：单元自动化，简单控制第二层：先进控制，过程优化第三层：生产调度，系统优化第四层：供销，财务，计划，管理等第五层：企业决策，生产规划生产过程流程CIMS的递阶控制