電力電子基礎(chǔ)概述

1.電力電子技術(shù)的內(nèi)容

　　電力電子學(xué),又稱功率電子學(xué)(Power Electronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。

　　它既是電子學(xué)在強(qiáng)電(高電壓、大電流)或電工領(lǐng)域的一個分支，又是電工學(xué)在弱電(低電壓、小電流)或電子領(lǐng)域的一個分支，或者說是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新科學(xué)。電力電子學(xué)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學(xué)科。

　　電有直流(DC)和交流(AC)兩大類。前者有電壓幅值和極性的不同，后者除電壓幅值和極性外，還有頻率和相位的差別。

　　實(shí)際應(yīng)用中，常常需要在兩種電能之間，或?qū)νN電能的一個或多個參數(shù)(如電壓，電流，頻率和功率因數(shù)等)進(jìn)行變換。

變換器共有四種類型：

　　交流-直流(AC-DC)變換：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

　　直流-交流(DC-AC)變換：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這是與整流相反的變換，也稱為逆變。當(dāng)輸出接電網(wǎng)時，稱之為有源逆變；當(dāng)輸出接負(fù)載時，稱之為無源逆變。

　　交-交(AC-AC)變換，將交流電能的參數(shù)(幅值或頻率)加以變換。其中：改變交流電壓有效值稱為交流調(diào)壓；將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電，稱為交-交變頻。

　　直流-直流(DC-DC)變換，將恒定直流變成斷續(xù)脈沖輸出，以改變其平均值。

2.電力電子技術(shù)的發(fā)展

　　在有電力電子器件以前，電能轉(zhuǎn)換是依靠旋轉(zhuǎn)機(jī)組來實(shí)現(xiàn)的。與這些旋轉(zhuǎn)式的交流機(jī)組比較,利用電力電子器件組成的靜止的電能變換器,具有體積小、重量輕、無機(jī)械噪聲和磨損、效率高、易于控制、響應(yīng)快及使用方便等優(yōu)點(diǎn)

　　1957年第一只晶閘管—也稱可控硅(SCR)問世后，因此,自20世紀(jì)60年代開始進(jìn)入了晶閘管時代。

　　70年代以后，出現(xiàn)了通和斷或開和關(guān)都能控制的全控型電力電子器件(亦稱自關(guān)斷型器件)，如：門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、雙極型功率晶體管(BJT/ GTR)、功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。

　　控制電路經(jīng)歷了由分立元件到集成電路的發(fā)展階段?，F(xiàn)在已有專為各種控制功能設(shè)計的專用集成電路，使變換器的控制電路大為簡化。

　　微處理器和微型計算機(jī)的引入，特別是它們的位數(shù)成倍增加，運(yùn)算速度不斷提高，功能不斷完善，使控制技術(shù)發(fā)生了根本的變化，使控制不僅依賴硬件電路，而且可利用軟件編程，既方便又靈活。

　　各種新穎、復(fù)雜的控制策略和方案得到實(shí)現(xiàn)，并具有自診斷功能，并具有智能化的功能。將新的控制理論和方法應(yīng)用在變換器中。

　　綜上所述可以看出，微電子技術(shù)、電力電子器件和控制理論則是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展動力。

3.電力電子技術(shù)的重要作用

　　(1)優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術(shù)對電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、軋機(jī)冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當(dāng)于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達(dá)10%-40%，我國已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應(yīng)用項目。

　　(2)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達(dá)國家預(yù)測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。

　　(3)電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小幾倍、幾十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號，實(shí)現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。

　　(4)電力電子智能化的進(jìn)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(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。