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浅谈现代电力电子技术

电力电子技术是利用电力电子器件研究电能控制和转换的科学。它是电气工程三大主要领域——电力、电子和控制之间的交叉学科,在电力、工业、交通、航空航天等领域有着广泛的应用。电力电子技术的应用已经渗透到工业生产和社会生活的方方面面,成为传统产业和高科技领域不可或缺的关键技术,可以有效地节约能源。

一、电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向是从低频技术的传统电力电子向高频技术的现代电力电子转变。电力电子技术始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件,其发展经历了整流器时代、逆变器时代、变频器时代,推动了电力电子技术在许多新领域的应用。20世纪80年代末90年代初发展起来的以功率MOSFET和IGBT为代表的集高频、高压、大电流于一体的功率半导体复合器件,标志着传统的电力电子技术进入了现代电力电子时代。

1,整流器时代

大功率工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但约20%的电力以DC的形式消耗,最典型的有电解(有色金属和化工原料需要DC电解)、牵引(电力机车、电力内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)。)和DC驱动(轧钢、造纸等。).大功率硅整流器可以高效地将工频交流电转换成直流电,因此大功率硅整流器和晶闸管的开发和应用在20世纪60、70年代得到了极大的发展。当时国内掀起了建立大型硅整流器工厂的热潮。目前全国大大小小的硅整流器半导体厂商都是那个时代的产物。

2、逆变器时代

20世纪70年代,世界范围内出现能源危机,交流电机变频调速因其显著的节能效果而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电转换成0~100Hz的交流电。20世纪70-80年代,随着变频调速装置的普及,晶闸管、大功率晶体管(GTR)、大功率逆变器用门极关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压DC输出、静态无功功率动态补偿等。此时,电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅限于中低频范围。

3、变频器时代

20世纪80年代,大规模和超大规模集成电路技术的快速发展为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术与高压大电流技术相结合,出现了一批全新的全控型功率器件,首先是功率M0SFET的问世,带动了中小功率电源向高频发展,然后是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现,为中大功率电源向高频发展带来了机遇。MOSFET和IGBT的出现是传统电力电子向现代电力电子转变的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已经达到了旗鼓相当的水平,已经断定IGBT将在功率电子领域取代GTR。新器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了高频,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术向高频发展,为电器设备高效节材节能,实现小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

二、电力电子技术的应用

1,一般行业

工业上广泛使用各种交流和DC电动机。DC电机具有良好的调速性能,其可控整流电源或DC斩波电源是一种电力电子器件。近年来,由于电力电子变频技术的飞速发展,交流电机的调速性能已经可以与DC电机相媲美,交流调速技术得到了广泛的应用并占据了主导地位。电力电子交流/DC调速技术广泛应用于大到几千千瓦的各种轧机,小到几百瓦的数控机床伺服电机,以及矿山牵引。近年来,一些对调速要求不高的大型鼓风机也采用了变频装置,以达到节能的目的。为了避免起动时的电流冲击,有些无调速电机采用软起动装置,软起动装置也是电力电子装置。DC电源广泛应用于电化学工业,电解铝和电解盐溶液需要大容量整流电源。电镀设备还需要一个整流电源。电力电子技术也广泛应用于冶金行业,如高频和中频感应加热电源、淬火电源和DC电弧炉电源。

2.运输

电力电子技术广泛应用于电气化铁路。电力机车中的DC机车采用整流装置,交流机车采用变频装置。DC斩波器也广泛应用于铁路车辆。在未来的磁悬浮列车中,电力电子技术是一项关键技术。除了牵引电机驱动,车辆中的各种辅助电源也离不开电力电子技术。电动汽车的电机由电力电子器件控制进行功率转换和驱动,其电池的充电也离不开电力电子器件。一辆高级轿车需要许多控制电机,这些电机也是由变频器和斩波器驱动和控制的。飞机和船舶需要很多不同的动力源,所以航空和航海都离不开电力电子技术。如果电梯被认为是交通工具,它也需要电力电子技术。过去,大多数电梯采用DC调速系统,但近年来,交流变频调速已成为主流。

3.电力系统

电力电子技术广泛应用于电力系统。据估计,发达国家用户最终用电的60%以上至少经过一次电力电子变换器的处理。在电力系统现代化过程中,电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说,没有电力电子技术,电力系统的现代化是不可想象的。直流输电在长距离大容量输电方面有很大优势,输电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年来发展起来的柔性交流输电(FACTS)也是通过电力电子器件来实现的。无功补偿和谐波抑制对电力系统具有重要意义。晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)都是重要的无功补偿装置。近年来,静止无功发生器(SVG)和有源电力滤波器(APF)等新型电力电子装置具有更好的无功和谐波补偿性能。在配电网系统中,电力电子装置还可以用来防止瞬时停电、瞬时电压下降和闪变,从而控制电能质量,提高供电质量。

在变电站中,需要电力电子装置为操作系统提供可靠的交流和DC操作电源,并为电池充电。

4.电子设备的电源

各种电子设备一般都需要不同电压等级的DC电源。通信设备中程控交换机所用的DC电源以前是晶闸管整流电源,现在已改为全控器件的高频开关电源。高频开关电源还用于大型计算机所需的工作电源和微型计算机的内部电源。在各种电子设备中,过去广泛使用的是线性稳压电源。高频开关电源因其体积小、重量轻、效率高,已逐渐取代线性电源。因为各种信息技术设备都需要电力电子器件提供电源,可以说信息电子技术离不开电力电子技术。

5.家电

照明在家用电器中占有非常突出的地位。电力电子照明电源因其体积小、发光效率高、节能,常被称为“节能灯”,正逐渐取代传统的白炽灯和荧光灯。变频空调是电力电子技术应用于家用电器的典型例子。电视机、音响设备、家用电脑等电子设备的电源也需要电力电子技术。此外,一些洗衣机、冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术在家用电器中的广泛应用,使其与我们的生活非常接近。

6.其他人

不间断电源(UPS)在现代社会中发挥着越来越重要的作用,其消耗量也越来越大,在电力电子产品中已经占据了相当大的份额。飞船内的各种电子仪器需要电源,载人飞船也需要各种电源供人们生存和工作,这些都必须采用电力电子技术。传统的发电方式有火力发电、水力发电以及后来的核能发电。能源危机后,各种新能源、可再生能源和新型发电方式越来越受到重视。其中,太阳能发电和风力发电发展迅速,燃料电池备受关注。太阳能发电和风力发电受环境制约,发出的电能质量较差,往往需要储能装置来缓冲和改善电能质量,这就需要电力电子技术。当需要与电力系统连接时,也离不开电力电子技术。为了合理利用水能资源,抽水蓄能电站近年来受到重视。其中,大型电机的起动和调速需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式,需要强大的DC电源,这也离不开电力电子技术。核聚变反应堆产生强磁场并注入能量时,需要大容量的脉冲电源,这是一种电力电子器件。科学实验或者一些特殊的场合往往需要一些特殊的电源,这也是电力电子技术发挥作用的地方。过去,电力电子技术的应用主要集中在中高功率。现在在1kW以下的功率范围,甚至几十W以下,电力电子技术的应用越来越广泛,地位越来越重要。这已经成为一个重要的发展趋势,值得人们关注。

总之,电力电子技术有着广泛的应用。从人类对宇宙和自然的探索,到国民经济的各个领域,再到我们的日常生活用品,处处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激励了一代又一代的学者和工程师去学习和研究电力电子技术,并使其迅速发展。电力电子器件向负载提供不同种类的DC电源、恒频交流电源和变频交流电源,所以也可以说电力电子技术研究的是电力技术。电力电子技术对节约电能具有重要意义。特别是在大型风机和水泵的变频调速方面,以及在使用量巨大的照明电源方面,电力电子技术的节能效果非常显著,因此也被称为节能技术。