王美琳 齊庭庭
摘要:電力電子技術(shù)主要應(yīng)用于電力領(lǐng)域,其工作原理是依靠電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行不斷地轉(zhuǎn)換和控制。從數(shù)W乃至1W以下到數(shù)百M(fèi)W乃至GW,利用電力電子技術(shù)轉(zhuǎn)換而來(lái)的電力能源深入到社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。越來(lái)越成熟的電力電子技術(shù)極大程度上方便了人們的生活生產(chǎn),推動(dòng)了工業(yè)制造的前進(jìn)步伐。本文主要對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程以及應(yīng)用做了簡(jiǎn)要的分析。
關(guān)鍵詞:電力電子技術(shù);發(fā)展歷程;應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1009-3044(2019)11-0268-02
Abstract: Power electronics technology is mainly used in the field of power, its working principle is relying on power electronic devices for continuous conversion and control of power. From several or even less than 1W to hundreds of MW or even GW, power energy converted by power electronics technology has penetrated into various fields of social development. More and more mature power electronics technology greatly facilitates people's life and production, and promotes the progress of industrial manufacturing. This paper mainly makes a brief analysis of the development and application of power electronics technology.
Key words: power electronic technology; development history; application
1 概述
電力電子技術(shù)集科學(xué)性和實(shí)用性于一體,對(duì)我國(guó)社會(huì)的經(jīng)濟(jì),科技發(fā)展都有著重大意義?,F(xiàn)如今,電力領(lǐng)域的發(fā)展日新月異,通過(guò)對(duì)電力電子技術(shù)的不斷探究和良好把控,弱電子到強(qiáng)電力的轉(zhuǎn)換和控制更加趨向于高效化,質(zhì)量化。在科技引領(lǐng)時(shí)代的今天,我們更是把能源再利用和綠色化放在了電力生產(chǎn)及控制的重要位置。
隨電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生的電子技術(shù),是一門(mén)利用電子器件組成電路來(lái)解決生活中實(shí)際問(wèn)題的學(xué)科。而著重強(qiáng)調(diào)信息處理的信息電子技術(shù)和側(cè)重于電力變換和控制的電力電子技術(shù)則是電子技術(shù)的兩大分支。本篇文章將對(duì)后者的發(fā)展及其應(yīng)用提出淺陋見(jiàn)解。
電力電子技術(shù)包含電力,電子和控制三個(gè)方面,是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)之一。電力電子器件構(gòu)成電力電子電路,它的發(fā)展帶動(dòng)了電力電子技術(shù)的進(jìn)步,而功率半導(dǎo)體器件是電力電子電路的基礎(chǔ)。功率半導(dǎo)體器件的歷史悠久而深遠(yuǎn)。如今,各種各樣的電子器件活躍在我們的生活之中,從不可控功率二極管到半控型的晶閘管,大功率晶體管,再到絕緣柵雙極型晶體管等,小小的它們構(gòu)成的電路藍(lán)圖大大的方便著人們的生活生產(chǎn)。隨著功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)以及變流技術(shù)的發(fā)展,國(guó)防建設(shè),交通安全,能源保護(hù)和人民生產(chǎn)生活等與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)的各行各業(yè)之中都有著電力電子技術(shù)的身影,它具有非??捎^的應(yīng)用前景,成了電氣工程中不可或缺的一環(huán)。
2 發(fā)展歷程
2.1 整流器時(shí)代
工頻交流發(fā)電機(jī)為大功率工業(yè)生產(chǎn)提供巨大動(dòng)力,使得重工業(yè)發(fā)展迅速。而電鍍,電力牽引和直流電氣傳動(dòng)這三大領(lǐng)域卻需要直流電的供給。于是,如何將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能成了當(dāng)時(shí)人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。1958年,美國(guó)通用電氣公司研發(fā)了世界上第一個(gè)晶閘管,這只晶閘管的誕生,宣布了電能的轉(zhuǎn)換和控制從此進(jìn)入整流器時(shí)代。20世紀(jì)40年代,大功率二極管又成功登上功率半導(dǎo)體器件的大舞臺(tái),并成了應(yīng)用極廣的一種電子器件。如今,整流二極管,肖特基二極管已被廣泛應(yīng)用。而20世紀(jì)60年代第一次出現(xiàn)在人類(lèi)視野中的晶閘管為電力電子器件畫(huà)上了濃墨重彩的一筆,電力電子技術(shù)走向了新的起點(diǎn)。如今,逆導(dǎo)晶閘管,雙向晶閘管,光控晶閘管在生活生產(chǎn)中也很常見(jiàn)。
整流即為交流到直流的電力變換過(guò)程,它包括不可控整流和可控整流,而可控整流則是采用晶閘管作為控制元件。從單相到多相,從半波到橋式,從電阻性負(fù)載到電感性負(fù)載,我們通過(guò)對(duì)整流電路的電壓電流的分析,判斷功率半導(dǎo)體器件的通斷狀態(tài)和負(fù)載的性質(zhì)。一層層揭開(kāi)電子器件的奧秘,一步步推動(dòng)整流器時(shí)代的發(fā)展。
2.2 逆變器時(shí)代
晶閘管屬于第一代電力電子器件,它的出現(xiàn)雖然使得電力電子技術(shù)的發(fā)展向前飛躍了一大步,但是它是一種半控型器件,不具有自關(guān)斷的能力,然而關(guān)斷問(wèn)題在應(yīng)用中是必須要提出解決的。于是,晶閘管的使用并不能滿(mǎn)足電力電子技術(shù)的發(fā)展需求。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu),降低成本輸出,第二代全控型器件在20世紀(jì)70年代被開(kāi)發(fā)。 包括GTO,GTR,power MOSFET等,它們由柵極控制,以控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài),并且有著開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。 解決了晶閘管不能自關(guān)斷的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換器裝置的高頻率。 以power MOSFET為例,它的開(kāi)關(guān)速度快,工作頻率可達(dá)數(shù)百千赫茲以上。 是電力電子器件中速度最快的設(shè)備。 適用于高頻應(yīng)用,如開(kāi)關(guān)電源和高頻感應(yīng)加熱。
逆變是直流(DC)轉(zhuǎn)換成交流(AC)的電力變換過(guò)程,有源逆變和無(wú)源逆變統(tǒng)稱(chēng)為逆變。有源逆變中,負(fù)載的供電來(lái)源是電網(wǎng)電源,通過(guò)電網(wǎng),將DC變換成供負(fù)載使用的交流電輸送出去。而無(wú)源逆變不通過(guò)電網(wǎng),它直接將DC變換成AC供給用電負(fù)載使用。在直流電源(蓄電池,光電池),不間斷電源,有源濾波器,以及現(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)中,逆變的運(yùn)用都非常之廣泛而深入。而現(xiàn)在,對(duì)于逆變的多重化和多電平化,以及PWM技術(shù)的采用和實(shí)施也已經(jīng)成為熱門(mén)話(huà)題。
2.3 變頻器時(shí)代
1980年~1989年之間,絕緣柵雙極晶體管的出現(xiàn)標(biāo)志著第三代場(chǎng)控半導(dǎo)體器件的誕生。 與此同時(shí),靜電感應(yīng)晶體管,靜電感應(yīng)晶閘管,MOS控制晶閘管等器件也隨之出現(xiàn)在電子世界。 大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路得到了廣泛的應(yīng)用,而全控半導(dǎo)體器件已迅速占領(lǐng)了大部分市場(chǎng),電力電子技術(shù)的發(fā)展也達(dá)到了新的高潮。各種全控型半導(dǎo)體器件的相繼問(wèn)世,復(fù)合導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的成熟使用,電力電子技術(shù)不斷地得到提高和完善,到80年代后期,第四代電力電子器件也全面投入市場(chǎng),被各個(gè)行業(yè)使用,集成電路被大眾所認(rèn)知,電力控制也跨上了一個(gè)新的臺(tái)階。相比于之前的第一,二代,現(xiàn)在的電子器件具有更高的耐壓,電流容量也增加了很多,更是添加了過(guò)壓過(guò)流等監(jiān)測(cè)裝置。新的器件的出現(xiàn)不意味著老器件的淘汰,在電力電子技術(shù)發(fā)展的道路上,這些器件將一直大放異彩。
變頻是通過(guò)使用半導(dǎo)體器件來(lái)改變供電頻率來(lái)降低功耗,提高用電效率,調(diào)節(jié)負(fù)載,使用電設(shè)備具有更長(zhǎng)的使用壽命。變頻電路有交交變頻電路,交直交變頻電路等,它們的調(diào)頻范圍和使用場(chǎng)合等根據(jù)電路組成不同而有所不同。如今,變頻空調(diào)、變頻冰箱、各式各樣的變頻器已深入我們的生活,變頻技術(shù)也被成熟運(yùn)用在我們的身邊。我們的生活質(zhì)量,科技水平有了顯著的提高。
3 應(yīng)用舉例
3.1 不間斷電源
不間斷電源(UPS)主要由蓄電池組,整流器,逆變器,旁路開(kāi)關(guān)和重要負(fù)載這五大部分組合而成?,F(xiàn)在已經(jīng)在航天,鐵路,交通,IT行業(yè)等領(lǐng)域廣泛投入使用。UPS對(duì)一些重要負(fù)載而言,是避免電網(wǎng)電源的不利影響,減少諧波干擾的有效措施,并且在過(guò)電壓,欠電壓時(shí)還能夠?qū)﹄妷哼M(jìn)行調(diào)整。UPS的蓄電池組通常是鉛酸電池,一般情況下,電網(wǎng)電源正常供給電能,重要負(fù)載的供電來(lái)源則是電網(wǎng)所輸送出來(lái)的能量,此時(shí)蓄電池組通過(guò)電網(wǎng)電源進(jìn)行充電。當(dāng)電網(wǎng)斷電,正常供電停止,蓄電池組將儲(chǔ)存的電荷釋放出來(lái),供給重要負(fù)載,使負(fù)載可以處于不斷電狀態(tài),一直保持正常工作。這就是不間斷電源和其他普通電源的主要區(qū)別。UPS為重要負(fù)載提供穩(wěn)定電壓,并且在維護(hù)和管理上相對(duì)于其他電源先進(jìn)了很多,倍受大型設(shè)備和企業(yè)的青睞。
3.2 變速恒頻發(fā)電技術(shù)
現(xiàn)在的社會(huì),經(jīng)濟(jì)日益膨脹,人們的生活水平不斷提高,而在人類(lèi)發(fā)展進(jìn)步的同時(shí),能源的消耗速度是我們無(wú)法想象的,人類(lèi)對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng),很快,能源已是供不應(yīng)求,能源危機(jī)是我們每個(gè)人都將要面臨的問(wèn)題?,F(xiàn)在,一次性能源的消耗已經(jīng)造成的很多問(wèn)題,礦物的燃燒與大量使用,使得能源即將枯竭,環(huán)境保護(hù)一時(shí)間也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。于是,可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用是我們迫在眉睫的任務(wù),只有這樣,我們才能實(shí)現(xiàn)能源的有效供應(yīng),以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
變速恒頻發(fā)電迅速適應(yīng)了各種發(fā)電系統(tǒng)的要求,成為現(xiàn)在最需要研究和使用的發(fā)電方式。它通過(guò)交-直-交全功率變換和交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電兩種方式達(dá)到變速恒頻發(fā)電的目的。對(duì)風(fēng)力發(fā)電,水力發(fā)電的運(yùn)行都有著巨大的意義。
4 結(jié)語(yǔ)
電力電子技術(shù)是一種新興的能量轉(zhuǎn)換和控制技術(shù),在電力電子器件一次次革新的過(guò)程中,電力電子技術(shù)也日漸成熟,被大眾所熟知,對(duì)于電氣控制至關(guān)重要。電力電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展的同時(shí),世界也對(duì)其提出了新要求,即集成化,通用化,智能化,綠色化。在科技引領(lǐng)潮流的今天,我們年輕一代也應(yīng)該以探究鉆研的精神去學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的有關(guān)知識(shí)。
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