電力電子技術 -電力學科

電力電子技術

電力電子技術是一門新興的套用于電力領域的電子技術,就是使用電力電子器件(如晶閘管GTOIGBT等)對電能進行變換和控製的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數百MW甚至GW,也可以小到數W甚至1W以下,和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。

  • 中文名稱
    電力電子技術
  • 外文名稱
    Power electronic technology
  • 信息
    電力電子技術
  • 類型
    新興的套用于電力領域的電子技術

簡介

電力電子技術分為電力電子器件製造技術和變流技術(整流,逆變,斬波變頻,變相等)兩個分支。

現已成為現代電氣工程與自動化專業不可缺少的一門專業基礎課,在培養該專業人才中佔有重要地位。

電力電子學(Power Electronics)這一名稱是在上世紀60年代出現的。1974年,美國的W.Newell用一個倒三角形(如圖)對電力電子學進行了描述,認為它是由電力學電子學控製理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。"電力電子學"和"電力電子技術"是分別從學術和工程技術2個不同的角度來稱呼的。

一般認為,電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研製出的第一個晶閘管為標志的,電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管和晶閘管變流技術的發展而確立的。此前就已經有用于電力變換的電子技術,所以晶閘管出現前的時期可稱為電力電子技術的史前或黎明時期。70年代後期以門極可關斷晶閘管(GTO),電力雙極型電晶體(BJT),電力場效應管(Power-MOSFET)為代表的全控型器件全速發展(全控型器件的特點是通過對門極既柵極或基極的控製既可以使其開通又可以使其關斷)。使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發展階段。80年代後期,以絕緣柵極雙極型電晶體(IGBT 可看作MOSFET和BJT的復合)為代表的復合型器件集驅動功率小,開關速度快,通態壓降小,載流能力大于一身,性能優越使之成為現代電力電子技術的主導器件。為了使電力電子裝置的結構緊湊,體積減小,常常把若幹個電力電子器件及必要的輔助器件做成模組的形式,後來又把驅動,控製,保護電路和功率器件集成在一起,構成功率積體電路(PIC)。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術發展的一個重要方向。

利用電力電子器件實現工業規模電能變換的技術,有時也稱為功率電子技術。一般情況下,它是將一種形式的工業電能轉換成另一種形式的工業電能。例如,將交流電能變換成直流電能或將直流電能變換成交流電能;將工頻電源變換為設備所需頻率的電源;在正常交流電源中斷時,用逆變器(見電力變流器)將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。套用電力電子技術還能實現非電能與電能之間的轉換。例如,利用太陽電池將太陽輻射能轉換成電能。與電子技術不同,電力電子技術變換的電能是作為能源而不是作為信息感測的載體。因此人們關註的是所能轉換的電功率。

電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控製三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術,又大多是為套用強電的工業服務的,故常將它歸屬于電工類。電力電子技術的內容主要包括電力電子器件、電力電子電路電力電子裝置及其系統。電力電子器件以半導體為基本材料,最常用的材料為單晶矽;它的理論基礎為半導體物理學;它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量套用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎,根據器件的特點和電能轉換的要求,又開發出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控製、觸發、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路,根據套用對象的不同,組成了各種用途的整機,稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統。電子學、電工學、自動控製、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統中大量套用。

套用

一般工業:

交直流電機、電化學工業、冶金工業

交通運輸:

電氣化鐵道、電動汽車、航空、航天、航海

電力系統:

高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償

電子裝置電源:

為信息電子裝置提供動力

家用電器:

"節能燈"、變頻空調

其他:

UPS、 航天飛行器、新能源、發電裝置

作用

(1) 最佳化電能使用。通過電力電子技術對電能的處理,使電能的使用達到合理、高效和節約,實現了電能使用最佳化。例如,在節電方面,針對風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙、工業窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調查,潛在節電總量相當于1990年全國發電量的16%,所以推廣套用電力電子技術是節能的一項戰略措施,一般節能效果可達10%-40%,我國已將許多裝置列入節能的推廣套用項目。

(2) 改造傳統產業和發展機電一體化等新興產業。據發達國家預測,今後將有95%的電能要經電力電子技術處理後再使用,即工業和民用的各種機電設備中,有95%與電力電子產業有關,特別是,電力電子技術是弱電控製強電的媒體,是機電設備與電腦之間的重要接口,它為傳統產業和新興產業採用微電子技術創造了條件,成為發揮電腦作用的保證和基礎。

(3) 電力電子技術高頻化和變頻技術的發展,將使機電設備突破工頻傳統,向高頻化方向發展。實現最佳工作效率,將使機電設備的體積減小幾倍、幾十倍,回響速度達到高速化,並能適應任何基準信號,實現無噪音且具有全新的功能和用途。

(4) 電力電子智慧型化的進展,在一定程度上將信息處理與功率處理合一,使微電子技術與電力電子技術一體化,其發展有可能引起電子技術的重大改革。有人甚至提出,電子學的下一項革命將發生在以工業設備和電網為對象的電子技術套用領域,電力電子技術將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。

器件

1902年出現了第一個玻璃的汞弧整流器。1910年出現了鐵殼汞弧整流器。用汞弧整流器代替機械式開關和換流器,這是電力電子技術的發端。1920年試製出氧化銅整流器,1923年出現了硒整流器。30年代,這些整流器開始大量用于電力整流裝置中。20世紀40年代末出現了電晶體。20世紀50年代初,電晶體向大功率化發展,同時用半導體單晶材料製成的大功率二極體也得到發展。1954年,瑞典通用電機公司(ASEA公司)首先將汞弧管用于高壓整流和逆變,並在±100千伏直流輸電線路上套用,傳輸20兆瓦的電力。1956年,美國人J.莫爾製成晶閘管雛型。1957年,美國人R.A.約克製成實用的晶閘管。50年代末晶閘管被用于電力電子裝置,60年代以來得到迅速推廣,並開發出一系列派生器件,拓展了電力電子技術的套用領域。 電力電子電路 隨著晶閘管套用的推廣,開發出許多電力電子電路,按其功能可分為:①將交流電能轉換成直流電能的整流電路;②將直流電能轉換成交流電能的逆變電路;③將一種形式的交流電能轉換成另一種形式的交流電能的交流變換電路;④將一種形式的直流電能轉換成另一種形式的直流電能的直流變換電路。這些電路都包含晶閘管,而每個晶閘管都需要相應的觸發器。于是配合這些電力電子電路出現了許多的觸發控製電路。根據所用的器件,這些控製電路大體上可以分為3代。第一代的控製電路主要由分立的電子元件(如電晶體、二極體)組成。直到80年代後期,還用得不少。第二代由積體電路組成。自從1958年美國出現了世界上第一個積體電路以來,發展異常迅速。它套用到電力電子裝置的控製電路中,使其結構緊湊,功能和可靠性得到提高。第三代由微機進行控製。70年代以來,由于微機的發展使電力電子裝置進一步朝實現智慧型化的方向進步。電力電子裝置隨著電力電子電路的發展和完善,由晶閘管組成的許多類型的電力電子裝置不斷出現。如大功率的電解電源、焊接電源、電鍍用的直流電源;直流和交流牽引、直流傳動、交流串級調速、變頻調速等傳動用電源;勵磁、無功靜止補償、諧波補償等電力系統用的電力電子裝置;低頻、中頻、高頻電源等各種非工頻電源,尤其是感應加熱的中高頻電源;不停電電源、交流穩壓電源等各種工業用電力電子電源;各種調壓器等等。這些電力電子裝置,與傳統的電動機-發電機組比,有較高的電效率(以容量10千瓦至數百千瓦、頻率為1000赫的電動機-發電機組為例,在額定負載下,效率η=80%,並隨負載減小而顯著降低,若用晶閘管電源,η≥92%,且隨負載變化不大),因此,有明顯的節能效果。電力電子裝置是靜止式裝置,佔地面積小,重量輕,安裝方便(以焊接電源為例,與旋轉焊機相比,重量減輕80%,節能15%)。同時,電力電子裝置往往對頻率、電壓等的調節比較容易,回響快,功能多,自動化程度高,因此用于工業上不但明顯節能,還往往能提高生產率和產品質量,節省原材料,並常能改善工作環境。但電力電子裝置大多為電子開關式裝置,它往往對電網和負載產生諧波幹擾,有時還對周圍環境引起一定的高頻幹擾,這是在設計這些裝置和系統時必須妥善解決的(見高次諧波抑製)。

進展

從20世紀50年代中到70年代末,以大功率矽二極體、雙極型功率電晶體和晶閘管套用為基礎(尤其是晶閘管)的電力電子技術發展比較成熟。70年代末以來,兩個方面的發展對電力電子技術引起了巨大的沖擊。其一為微機的發展對電力電子裝置的控製系統、故障檢測、信息處理等起了重大作用,今後還將繼續發展;其二為微電子技術、光纖技術等滲透到電力電子器件中,開發出更多的新一代電力電子器件。其中除普通晶閘管向更大容量(6500伏、3500安)發展外,門極可關斷晶閘管(GTO)電壓已達4500伏,電流已達 2500~3000安;雙極型電晶體也向著更大容量發展,80年代中後期其工業產品最高電壓達1400伏,最大電流達400安,工作頻率比晶閘管高得多,採用達林頓結構時電流增益可達75~200。 隨著光纖技術的發展,美國和日本于1981~1982年間相繼研製成光控晶閘管並用于直流輸電系統。這種光控管與電觸發的晶閘管相比,簡化了觸發電路,提高了絕緣水準和抗幹擾能力,可使變流設備向小型、輕量方向發展,既降低了造價,又提高運行的可靠性。同時,場控電力電子器件也得到發展,如功率場效應電晶體(power MOSFET)和功率靜電感應電晶體(SIT)已達千伏級和數十至數百安級的電壓、電流等級,中小容量的工作頻率可達兆赫級。由場控和雙極型合成的新一代電力電子器件,如絕緣柵雙極型電晶體(IGT或IGBT)和MOS控製晶閘管(MCT)也正在興起,容量也已相當大。這些新器件均具有門極關斷能力,且工作頻率可以大大提高,使電力電子電路更加簡單,使電力電子裝置的體積、重量、效率、性能等各方面指標不斷提高,它將使電力電子技術發展到一個更新的階段。與此同時,電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置的電腦模擬和仿真技術也在不斷發展。

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