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探索現代電力電子技術應用(yòng)狀(zhuàng)況

概述:電力(lì)電子技(jì)術是以培養"工程實施型人才"為目標,結合(hé)多年課程實踐教學的經(jīng)驗積累,對目前國內高校采用的《電力電子(zǐ)技術》教材進行了深入的研究,充分收集電力電子技術的前(qián)沿新技術內容(róng),補充和(hé)完善以(yǐ)往教材的不足。該教材在保證知識先進性和係統性的同時,合理對理(lǐ)論教學內容進行弱化整定,增加實踐性的內容,著重培養和提高學生的(de)工程實踐能力和科學創新(xīn)素養。成為傳(chuán)統產業和高新技術(shù)領域不可缺少的關鍵技術,可以有效地節約能(néng)源。
一、電力電子技術的發展:
   現代
電力電子技術的發展方向,是從以(yǐ)低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以(yǐ)高頻技術處理問題為主的現代電力電子學(xué)方向轉變。電力電子技術起始於五(wǔ)十年代末六十年代初的(de)矽整流器(qì)件,其發展先後經曆了整流器時代、逆變器時代和變頻器(qì)時代,並促進了電力電子技術在許多新領域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的(de)、以功(gōng)率MOSFET和(hé)IGBT為代表的、集高頻、高壓和大(dà)電流於一身的功率半導體複合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
   1、整流(liú)器時代:
   大(dà)功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有(yǒu)色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車(chē)等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率矽整流器能夠高效率地把工頻交流電(diàn)轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率矽整流管和晶閘管的開發與應用得以很大(dà)發展。當時國(guó)內(nèi)曾經掀起了-股(gǔ)各地大(dà)辦矽整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的製造矽整流器的半導體廠家就是那時的產物(wù)。
   2、逆變(biàn)器時代:
   七十年(nián)代出現了世界範圍的能源危機(jī),交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變(biàn)頻調速的關鍵技術是將直流電逆變(biàn)為0~100Hz的交流電(diàn)。在七十(shí)年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及(jí),大功率逆變用的晶閘管、巨型功(gōng)率(lǜ)晶(jīng)體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時
電力電子(zǐ)器件的主角。類似的應用還包(bāo)括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時(shí)的電力電子技術已(yǐ)經能夠實現整流和逆變,但工作頻率(lǜ)較低,僅(jǐn)局限在中低頻範圍內。
   3、變頻器時(shí)代:
   進入八十年代(dài),大規模和超大規模集成電路技術的迅(xùn)猛發展,為現代
電力電子技術(shù)的發展奠定了基礎(chǔ)。將(jiāng)集成電路技術的精細加(jiā)工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批(pī)全新的全控型功率器件、首先是(shì)功率M0SFET的問世,導致了中小功(gōng)率電源向高頻化發展,而後絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率(lǜ)電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子(zǐ)向現代電力電子轉化的標誌。
二、
電力電子(zǐ)技術的應用:
   1、一般工業:
   工業中大量應用各種交直流電動機。直流電動機有良好的調速性能,給其(qí)供電的可控整流電源(yuán)或(huò)直流斬波電源都是電力電子裝置。近年來,由於
電力(lì)電子變頻技術的迅速發展,使得交流電機的調速性能可與直流電機相媲美,交流調速技術大量應用並占據主導地位。大至數千kW的各(gè)種軋鋼機,小到幾百W的數控機床的伺服電機,以及礦山牽引(yǐn)等場合都(dōu)廣泛采用(yòng)電力電子交(jiāo)直流調速技術。一些對調速性能要求(qiú)不高的大型鼓風機(jī)等近年來也采用了變頻裝置,以達到(dào)節能(néng)的目的。還有(yǒu)些不調速的電機為了避免起動時的電(diàn)流衝擊而采(cǎi)用了軟起動(dòng)裝置,這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電化學工業大量使用直流電源,電解鋁、電解食鹽水等都需要(yào)大容量整流電源(yuán)。電鍍(dù)裝置也(yě)需要整流電源。電力電子技術還大量用於冶金工業中的高頻、中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。
   2、交通運輸:
   電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電(diàn)氣機車中的直流機車中采用整流裝置,交流機車采用變頻(pín)裝置(zhì)。直流斬波器也廣泛用於鐵道車輛。在未來的(de)磁懸浮列車中,電力電子技術更是一項關鍵技術(shù)。除(chú)牽引電機傳動外,車輛(liàng)中的各種輔助電(diàn)源也都離不(bú)開電力電子技術(shù)。電動汽車的電機靠
電力電子裝置(zhì)進行電力變換和驅動控製,其蓄(xù)電池的充電也(yě)離不開電力電子裝置。一台高級汽車中需要許多控製電機,它們也要靠(kào)變頻器和斬波器驅動並控製(zhì)。飛機、船舶需要很多不同要求的電(diàn)源,因(yīn)此航空和航海都離不開電力電子技術。如果把電梯也算做交通運輸,那麽它也需要(yào)電力電子技術。以前的電梯大(dà)都采用直流調速係統,而近年來交(jiāo)流變頻調速已成(chéng)為主流。
   3、電力係統:
  
電力電子技術(shù)在電力係統中有著非常廣泛的應用。據估計,發達國家在用戶最(zuì)終使用的電能(néng)中,有60%以上的(de)電能至少經過一次以上電力電子變流裝置(zhì)的處理。電力係統在通向現代(dài)化的進程中,電力電子技術是(shì)關鍵技術之一。可以毫不誇張地說,如果離開電(diàn)力電子技術,電力係統的現代化(huà)就是不可想象(xiàng)的(de)。直流輸電在長距離、大容量輸(shū)電(diàn)時有很大的優勢,其送電端的整流閥和受電端的逆變(biàn)閥都采用晶閘管變流裝置。近年發展起來的柔性交(jiāo)流輸電(FACTS)也是依靠電力電子裝置才得以(yǐ)實現的。無功補償和諧波(bō)抑製對電力係統有重要的意義。晶閘管(guǎn)控製電抗器(TCR)、晶閘管投(tóu)切電容器(TSC)都是重要的無功補償裝置(zhì)。近年來出現的靜止無功發生(shēng)器(SVG)、有源電(diàn)力濾波器(APF)等新型電力電子裝置具有更(gèng)為(wéi)優越的無功功率和諧波補償的性能。在配電網係統(tǒng),電力電子裝置還可用於防止電網瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等,以進行電能質量控製,改善供電質量。
   在變(biàn)電所中,給操作係統提供可靠的(de)交直流操作電源,給(gěi)蓄電池充電等都需要電力電子裝置。
   4、電子裝(zhuāng)置用電源:
   各(gè)種電子裝置一般都需要不同電壓等(děng)級的(de)直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源,現在已改為(wéi)采用全控型(xíng)器件的高頻開關電(diàn)源(yuán)。大型計算機所需的工作(zuò)電源、微型計算機內部的電源現(xiàn)在也都采用高(gāo)頻開關電源。在各種電子裝置中,以前大量采用線性穩壓電源供電,由於高頻開關電源體積小(xiǎo)、重量輕、效率高,現在已逐漸取代(dài)了線性電源(yuán)。因為各(gè)種信息(xī)技術裝置都需要
電力電子裝置提供電源,所以可(kě)以說信息電子技術離不開電力電子(zǐ)技術。
   5、家用電器:
   照明在家用電器中占有十分突出的地位。由於
電力電(diàn)子(zǐ)照明電源體(tǐ)積小、發光效率高、可節(jiē)省大量能源,通常被稱為“節(jiē)能燈”,它正在逐步取代傳統的白熾(chì)燈和日光燈。變頻空調器是(shì)家用電器中應用電力電子技術(shù)的典型例子。電視(shì)機、音響設備、家用計算機等電子(zǐ)設備的電源部分也(yě)都需要電力電子技術。此外(wài),有些洗衣機、電冰(bīng)箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。電力電子技術廣泛用於家用電器使得(dé)它和我們的生活變得十(shí)分貼近。
   6、其他:
   不間斷電源(UPS)在現代社會中的作用(yòng)越來越重要,用量也越來(lái)越大,在
電力電子(zǐ)產品中已占有相當大的份額。航天飛行器中的各種電子(zǐ)儀器需要(yào)電(diàn)源,載人航天器中為了人(rén)的生存和工作,也離(lí)不(bú)開(kāi)各種電源,這些都必需采用電力電子技術。傳統的發電方式是火(huǒ)力發電、水力發電以及後來興起的核能發電。能源危機後,各種新能源、可再生能源及新型(xíng)發電方式越來越受到重視。其中太陽能發電、風(fēng)力發電的發展較(jiào)快,燃料(liào)電池更是備受關注(zhù)。太陽能發電和風力發電受環境的製約,發出的電力質量較差,常需要儲能裝置緩衝,需要改善電能(néng)質量,這就需要電力電子技(jì)術。當需要和電力係統聯網時,也(yě)離不開電力電子技術。為了合理(lǐ)地利用(yòng)水力發電資源,近年來抽水儲能發電站受(shòu)到重視。其(qí)中的大(dà)型電動機的起動和調速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式(shì),它需要強(qiáng)大的直(zhí)流電源供電,這(zhè)也離不開電力電子技術。核聚變反應堆(duī)在產生強大磁場和注入能量時,需要大容量的(de)脈衝電源,這種電源就是電力電子裝置。科學實驗或某些特殊場合,常常需要(yào)一些特種電源,這也是電力電子技術的用(yòng)武之地。以前(qián)電力(lì)電子技術的應(yīng)用偏重於(yú)中、大(dà)功(gōng)率。現在,在(zài)1kW以下,甚至(zhì)幾十W以下的功率範圍內,電力電子技術的應用也越來(lái)越廣,其地位也越來(lái)越重要。這已成為一個重要的(de)發(fā)展趨勢,值(zhí)得引起人們的注意。
   總之,
電力電子技術的(de)應(yīng)用範圍十分廣泛。從人(rén)類對宇宙和大(dà)自(zì)然的探索,到國民經濟的各個領域,再到我們(men)的衣(yī)食住行,到處都能感受到電力(lì)電子技(jì)術的存在和巨大魅力。這也激發了一(yī)代又一(yī)代的學者和工(gōng)程技術人員學習、研究電力電子技(jì)術並使其飛速發展。電力電子裝置提供給負載的(de)是各種不同的直流電源(yuán)、恒頻交流電源和變頻交流電源,因此也(yě)可以(yǐ)說,電力電子技術(shù)研(yán)究的(de)也(yě)就是電源技術。電力電子技術對節省電能有重(chóng)要意義(yì)。特別在大型風機、水泵采用變頻調速方麵,在使用量十分龐大的照明電源等方麵,電力電(diàn)子技術的節能效果十分顯著,因此它也被稱(chēng)為是節(jiē)能(néng)技術。

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