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电力电子学

2018-07-20 14:23:17    

电力电子学,又称“功率电子学”(英文:Power Electronics),简称PE,主要是指应用于电力领域中的电子技术,即为使用高功率之固态电子器件(功率半导体元件)针对电能进行转换与控制,以提供负载所需形式之电压或电流的电子技术12。电力电子学在发展上主要包含电力电子元件制造技术与电力电子元件应用技术,电力电子元件应用技术即为变流技术,随着应用的不同,变流技术可分为直流电转换直流电(DC-DC)、交流电转换直流电(AC-DC)、直流电转换交流电(DC-AC)与交流电转换交流电(AC-AC)四种类型,变流技术主要以电力电子元件与被动元件构成的转换电路,并借由对转换电路上之电力电子元件的控制,完成所需之电能转换的功能,因此涵盖电路架构设计、磁性元件设计、控制策略等多样技术,并根据应用上的不同可能又同时包含电力系统、再生能源、马达驱动、电池储能等,因此电力电子学广泛涵盖电路学、电子学、控制理论、电磁学、信号处理、电力系统、电机机械、半导体物理学等多科学门,但以美国威廉·尼威尔英语William E. Newell所提出:电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的观点获全世界普遍认同3

目录

  • 1 电子电力技术的历史
  • 2 特征与应用领域
  • 3 应用
  • 4 参考文献

电子电力技术的历史

汞蒸气整流器

电力电子学的概念起源于1902年,美国彼得·库柏·翰威特英语Peter Cooper Hewitt利用内含液态汞的阴极放电管,发明汞蒸气型整流器,该发明可将电流高达数千安培的交流电转换为直流电,而其容忍电压也高达一万伏特以上。

这个汞蒸气型的整流器,1930年开始,这种原始的整流器开始匹配一个类似于通管技术的点阵式(或晶格结构)类比控制器,从而实现了直流电流的可控制性(引燃管,闸流管)。由于正向可通过的电压约为20伏特,进而乘于正向可通过的电流就产生了可观的电功率损失,由此而来的投资和运营成本等等也会相应的增加。因而这种整流器在现今的功率电子技术方面并不会得到广泛的应用。

随着半导体在整流方面的应用,第一个半导体整流器(硒和氧化亚铜整流器)被发明出来。

1957年,通用电气研发出第一种可控式功率型半导体,后来命名为晶闸管。之后进一步地研发出多种类型的可控式功率型半导体。这些半导体如今也在驱动技术方面得到广泛应用。

特征与应用领域

不同类型的晶闸管

功率电子技术 首先使电能转换实现了可能。其中包括:电压,电压强度,电流,与电流频率。这些转换设备被称为电流变流器(整流器)。又根据其功能性的不同被分为直流转换器,交流转换器与互交换转换器等。
进而出现功率电子技术化的电子元件与元件。这些电子元件被用作电器的开关(电门或电闸)。除此之外如今也被应用在电击保护和电流监控等方面。并根据是否含有活动块的不同,被分为继电器和接触器。

  • 通过直流整流器实现交流电压与直流电压间的转换。
  • 通过交流整流器实现直流电压与交流电压间的转换 。
  • 通过直流电流调节器(DC/DC-变流器)实现直流电压的强度变化。
  • 通过交流电流调节器(或频率转换器)实验交流电压的频率或者峰值的变化。

在微电子技术发展带领下,功率电子技术化的电子元件实现了更好的控制和调控性。并给予功率电子技术更好的发展前景。

在电力驱动的驱动技术方面,运用功率电子技术中的可控制性实现电动机运行状态的精确调控。因而现今的大型电机驱动设备和电力机车都运用此项技术经行控制。

同样,在能量的产生和传送方面,功率电子技术也有举足轻重的地位。而一些微功率设备与用传统同步发电机作为能量供给者的设备中却很难得到应用。通过频率转换器实现电能向电力网络的输送。功率电子技术也应用在电能传输过程,实现从交叉耦合到高频去耦的网络衔接。这种高压直流传输技术也被应用在从变电站到火车电力网络和城市轻轨网络的电力传输。

同样,在三相交流高压网络中实现针对性调控方面,功率电子技术在FACTS(精确交流传动系统)中得到运用。借助于UPFC(统一功率流调节器)实现从封闭式的传输网络到单一的电路中的导向性功率流的设置。从而使输送电路在传输电路实现尽可能的利用。

功率电子技术在汽车制造方面也愈显重要。在这方面,有许多的耗能设备需要通过功率电子技术化的元件进行接通(电流)与控制。在汽车方面的第一个应用就是常见的发电机调节器,因而使直流发电机被效率更高,体积更小,维护简易的交流电机所代替成为可能。其他的应用如电子点火器(晶闸管)和内燃机中的电子燃油喷射装置。

混合动力汽车(例如丰田普瑞斯)也可以归属于电动汽车(叉式装卸机“E-Car”),其驱动功率由一台电动机产生。其所需电能必须借助于功率电子技术转换为驱动电机所需的电压和频率。因而功率强度需通过直流调控器和交流整流器来实现。也可实现电能在电池和双电层电容器(Super Caps)储存的过程。

功率电子技术在高频应用领域逐渐取代落后的管技术。在超高频和大功率应用方面却更多地采用电子管(调速管,磁控管),在感应热依旧存在的情况下,能实现设备的小型化,高效能,免维修和持久使用的性能全部要归功于功率电子技术。

其他例子,可以参考逆变换流器在电弧焊中的应用以及中频逆变器在电阻焊中的应用。

应用

  • AC-DC转换(整流电路):将交流电变为所需的直流电的电路。
    应用于:电脑的电源供应器
  • DC-DC转换(直流斩波电路):将直流电变为所需的直流电的电路。
    应用于:电脑的电源供应器
  • AC-AC转换(交流电力控制电路和交流变频电路):将交流电变为所需的交流电的电路。
    应用于:在线不间断电源、变频式冷气机、升降机
  • DC-AC转换(逆变电路):将直流电变为所需的交流电的电路。
    应用于:不间断电源、警急照明

参考文献

  1. ^ Ned Mohan,Tore M. Undeland,William P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. Wiley. 2012-10-10 2016-04-22. 
  2. ^ 王兆安、刘进军. 电力电子技术. 机械工业出版社. 2010-09 2016-04-22. 
  3. ^ 蔡宣三. 电力电子发展史上的一篇重要讲演(纪念电力电子先驱Dr.William E.Newell逝世30周年) (PDF). 电气技术. 电工技术学会. 2006-07. 


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