| 单词 | 电力电子学 |
| 释义 | 【电力电子学】 拼译：power electronics 是一门新兴的学科，是电气工程三大主要领域——电力、电子与控制之间的边沿科学。传统的电力工程只改变电能的电压与电流；传统的电子学和信息科学则主要研究电信号与信息的获得、传送和加工处理等，并不着重信号本身所携带的能量大小。电力电子学是以电能的电压、电流、频率(相位)等参量的变换，特别是大功率的频率变换为主要研究对象。 1957年，美国通用电气公司(GE)开发出第1个晶闸管，即硅可控整流器(SCR)，是电力电子技术的开始。在以后的发展过程中，电力电子学融汇了微电子学、计算机科学等领域的新成就、新技术，取得了巨大进展。因此，1987年出现了关于该学科的新定义，认为电力电子学是包括计算机科学与技术、电子学与通讯、微电子学、自动控制等在内的众多学科之间的边沿科学，并正在向更加广泛的学科领域扩展。电力电子学的技术和应用特点大致有以下几方面：1．整流。就是把一定频率的交流电变为频率等于零的直流电后，供负载使用。这是电力电子学最经典、最主要的技术和应用领域之一。许多工交部门都要用直流电。近年来，大容量超高压直流输电的研究显示了直流电在某些领域的突出优点。目前中国约有19%～21%的发电量须经整流后供用户使用。2．斩波。是利用大功率开关器件构成的系统，把直流电压变成宽度不同的脉冲，从而使直流电压能随意地改变，以满足用电设备不同工况的要求。长期以来，直流电机(如无轨电车等)的调速都是靠串接于电枢电路的可变电阻实现的。这样不但大量浪费电能，而且调速设备庞大，调速特性受限制。采用斩波技术，可以方便地实现大范围无级调速，而且节约电能。3．逆变。是与整流相反的过程，即将直流电变换成一定频率的交流电的过程。逆变技术是构成特种电源的关键技术。如计算机和电子仪器中的开关电源、节能灯、不间断电源(UPS)感应加热、超声波电源等都是通过组合整流逆变技术实现的。这类电源在满足各种负载对频率的多样化要求(从工频到几百千赫直至几千兆赫)的同时，还能显著减小电源设备的体积、重量，提高整机效率，节能节材。4．交流调速。是利用电力电子技术达到高性能、高效率的交流电动机调速，以满足各种工业应用领域的要求。当前主要有无换向器电动机、变频调速和串级调速3种类型。据调查，电动机耗电约占工业用电总量的60%以上，其中交流电动机的用电量约达90%。因此，通过交流调速使交流电动机在各应用中处在最佳转速下运行，其节能效果是非常显著的。电力电子学及其应用技术对发展国民经济具有重大作用。采用交流调速技术可提高电机运行效率25%，可节约全国总耗电量的5%。若在照明方面采用高频逆变技术，综合节电效果可达10%，而且荧光灯的发光效率可提高20%～30%，重量、体积减少40%。利用SIT、SITH等新器件制成的高频感应加热设备，体积减少1／3，效率从50%提高到90%。由于体积重量减小，控制精确，使机器设备更为精密灵巧、方便可靠，提高了工作效率。电力电子技术是支持高技术产业的重要基础，可望在科技、工业及其他高技术领域发挥重大作用。电力电子技术主要应用电力半导体器件，因此它的发展很大程度上取决于电力半导体器件所取得的进展。每种新器件的出现都会促使相应的电路技术和应用系统向更高的水平迈进。电力半导体器件的发展迄今已经历了3代。第1代以晶闸管(可控硅)为代表，包括各类整流管。整流管是不可控的单向导电器件，而晶闸管则可以控制导通、但不能控制关断的单向导电器件。这类分立器件，从50年代问世以来，由于其损耗低、体积小，工作可靠而迅速取代了原有的真空管整流器和汞孤整流器。第2代是功率集成器件。这类器件是将几十、几百，直至几万个元件集成在一块晶片上。主要有电力晶体管(或称巨型晶体管，GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT或IGT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。1975年日本东芝公司制出300V、400A的GTR，1980年日立、三菱和东芝分别研制成了2500V、1000A的GTO。这一成就被认为是电力电子技术领域里的最重大进展。目前，MOSFET的额定电压达到1200V，连续电流达到200A(低压器件)；在GTO方面，日本已制出了9000V、1000A和4500V、5000A的器件。从当前情况看，在额定电压、电流方面，还没有一种器件能赶得上GTO。MOSFET、IGBT的主要特点是输入阻抗高，驱动简单，工作频率可高至MHz，级开关损耗小。因而特别适合于高频应用和对小型化有较多要求的领域，目前主要用于中、小功率容量。SIT和SITH是一类很有发展前途的器件。早在1950年，日本渡边和西泽润一已提出这类器件的初期模式，并于1972年制成了SIT和SITH。其特点是在输入阻抗、开关特性和工作频率方面与MOSFET、IGBT相似；在额定电压与电流容量、饱和压降方面则可与GTO比美，因而极具生命力。目前，SIT和SITH的工作频率已达1GHz以上，远远高于GTO；电压电流也已达约4000V、400A。除日本外，法国和美国的研究都已取得较大进展。中国从1973年开始研究SIT，于1987年研制出1GHzSIT样管。第3代是功率集成电路(PIC)。它是将功率器件与其驱动、保护电路和控制信息接口集成在一个单片上。PIC使电力电子系统的组成得到极大地简化，可靠性明显提高，体积大大减小，而且降低成本，更适合于大规模生产。PIC的出现和应用被称为“第2次电子学革命的开端”。有关PIC的研究报告从1979年开始在国际电力器件会议(IEDM)上出现，以后逐年增加。80年代中期开始形成市场，以后迅速增长。目前，PIC分为高压集成电路(HVIC)和智能功率集成电路(SPIC)两大类。前者是高耐压功率器件和控制电路的单片集成，后者是功率器件与控制、保护及传感电路的多功能集成，其耐压在几十至几百伏之间，关断电流多在100A以下，因而主要用于家电、办公设备、飞机及汽车、机器人等中小功率系统。典型的电路技术主要有以下几种：1．同步整流。这主要是针对开关电源等低压大电流直流电源提出的，利用某些有源器件如低压大电流MOSFET等的通态饱和压降比整流管的压降低这一特点，大幅度降低整流器的损耗。运用这一技术的整流器效率可达到90%以上，节能效果显著。2．PWM(Pwlse-Width Modulation)。这是电力电子系统的主要技术之一，广泛用于斩波、逆变、变频调速等方面。这一技术虽然已经比较成熟，但仍在研究之中。主要有调制电路数字化、谐波最小化调制、电压矢量以及Δ调剂等。3．准谐振与多谐振技术。这种技术主要利用功率开关与储能元件偕振并在零电压或零电流下关断，以减小器件所受应力，提高器件的关断能力和可靠性，并使系统工作频率更高，有利于小型化。目前，使用MOSFET已可达几兆赫，并已开始有实用系统。美国Dr．Fred C．Lea等对这一技术的理论及应用进行了较全面深入的研究。中国也开展了这方面的研究，并取得了一定成绩。4．计算机辅助分析与设计(CAA／CAD)。随着电力电子器件和系统的日益复杂化，传统的手工分析与设计手段已无法满足要求，必须借助于CAA／CAD。目前许多国家已广泛采用这一技术并有较成熟的软件，如SPICE－Ⅱ等。由于电力电子器件、系统的某些特殊性，因此器件的建模与一定条件下的计算稳定性等问题还需进一步研究。应用领域主要表现在以下几方面：(1)超高压直流输电。它可以减少电网损耗、提高输电效率。美国、加拿大等都已先后建成200～600kV、kMW级长距离直流输电线路。中国葛洲坝——上海500kV、1．2kMW直流输电线路建成后，将赶上世界先进水平。(2)直流牵引。主要用于无轨电车、工矿电机车及电气铁路等，当前以日本最为先进。(3)变频调速。广泛用于各类风机、泵及其他以交流电动机为动力的部门。在提高工作效率，节能、增产等方面效果显著。(4)动态无功功率补偿。主要用于补偿因大容量负载运行状态的变化而出现的无功功率及滤除由于电力电子系统引起的电流谐波。用此技术建立的静止型补偿设备较之传统的旋转调相机、电容器组等可显著改善系统动态特性，使网侧功率因数接近于1，且无活动部分，体积小。(5)不间断电源(UPS)。主要供给计算机、通讯、银行、医疗及军事部门以防电网突然停电或干扰引起系统信息丢失或工作差错。目前以美欧等先进国家用量最大，中国正大量进口。在研高频率、无工频变压器UPS方面，中国取得了一定成绩。(6)特种电源。包括感应加热、超声波、通讯、计算机及电子仪器用的开关电源等，范围很广。普遍应用后对减小设备体积重量，节能降耗，效果显著。(7)消费电子。包括电热、电动(风扇、洗衣机及空调等)、照明及电子(电视、音响等)，是正在迅速发展的应用领域，具有十分广阔的市场潜力。从整体而言，大功率化、高频化、集成化和智能化是电力电子学当前主要的研究发展方向。【参考文献】：1 The 4th Annual IEEE Power Electronics Speclalists Conference，19732 电力变频应用技术和效果，日本科学技术厅资源调查会调查报告，19873 PCIM 188，The first International Conference on Power Convarsion and Intelligent Motion4 Bylinsky，G．Fortune，1985，3∶485 IEEE Trans．vol ED－38，1991，66 中国电工技术学会电力电子学会第5次全国学术会议论文集，1993(暨南大学电力电子研究所许世延教授撰) |
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