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電子技術(shù)的應用領(lǐng)域介紹
電力電子技術(shù)分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)(整流，逆變，斬波，變頻，變相等)兩個(gè)分支�，F已成為現代電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)不可缺少的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課，在培養該專(zhuān)業(yè)人才中占有重要地位。下面小編來(lái)講講電子技術(shù)的應用領(lǐng)域介紹，希望對大家有幫助。
電子技術(shù)的應用領(lǐng)域介紹
電力電子學(xué)(Power Electronics)這一名稱(chēng)是在上世紀60年代出現的。1974年，美國的W.Newell用一個(gè)倒三角形(如圖)對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，認為它是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀(guān)點(diǎn)被全世界普遍接受。"電力電子學(xué)"和"電力電子技術(shù)"是分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)2個(gè)不同的角度來(lái)稱(chēng)呼的。
一般認為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個(gè)晶閘管為標志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現前的時(shí)期可稱(chēng)為電力電子技術(shù)的史前或黎明時(shí)期。70年代后期以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，電力雙極型晶體管(BJT)，電力場(chǎng)效應管(Power-MOSFET)為代表的全控型器件全速發(fā)展(全控型器件的特點(diǎn)是通過(guò)對門(mén)極既柵極或基極的控制既可以使其開(kāi)通又可以使其關(guān)斷)。使電力電子技術(shù)的面貌煥然一新進(jìn)入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT 可看作MOSFET和BJT的復合)為代表的復合型器件集驅動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現代電力電子技術(shù)的主導器件。為了使電力電子裝置的結構緊湊，體積減小，常常把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來(lái)又把驅動(dòng)，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路(PIC)。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
利用電力電子器件實(shí)現工業(yè)規模電能變換的技術(shù)，有時(shí)也稱(chēng)為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉換成另一種形式的工業(yè)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(shí)，用逆變器(見(jiàn)電力變流器)將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應用電力電子技術(shù)還能實(shí)現非電能與電能之間的轉換。例如，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)輻射能轉換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關(guān)注的是所能轉換的電功率。
電力電子技術(shù)是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。因它本身是大功率的電技術(shù)，又大多是為應用強電的工業(yè)服務(wù)的，故常將它歸屬于電工類(lèi)。電力電子技術(shù)的內容主要包括電力電子器件、電力電子電路和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硅;它的理論基礎為半導體物理學(xué);它的工藝技術(shù)為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學(xué)的技術(shù)。電力電子電路吸收了電子學(xué)的理論基礎，根據器件的特點(diǎn)和電能轉換的要求，又開(kāi)發(fā)出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、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，根據應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱(chēng)為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個(gè)系統。電子學(xué)、電工學(xué)、自動(dòng)控制、信號檢測處理等技術(shù)常在這些裝置及其系統中大量應用。
應用
一般工業(yè)：
交直流電機、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)
交通運輸：
電氣化鐵道、電動(dòng)汽車(chē)、航空、航天、航海
電力系統：
高壓直流輸電、柔性交流輸電、無(wú)功補償
電子裝置電源：
為信息電子裝置提供動(dòng)力
家用電器：
"節能燈"、變頻空調
其他：
UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置
作用
(1) 優(yōu)化電能使用。通過(guò)電力電子技術(shù)對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節約，實(shí)現了電能使用最佳化。例如，在節電方面，針對風(fēng)機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等14個(gè)方面的調查，潛在節電總量相當于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應用電力電子技術(shù)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應用項目。
(2) 改造傳統產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據發(fā)達國家預測，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)和民用的各種機電設備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強電的媒體，是機電設備與計算機之間的重要接口，它為傳統產(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)揮計算機作用的保證和基礎。
(3) 電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機電設備突破工頻傳統，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現最佳工作效率，將使機電設備的體積減小幾倍、幾十倍，響應速度達到高速化，并能適應任何基準信號，實(shí)現無(wú)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)設備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應用領(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。
拓展
電力電子技術(shù)的主要應用領(lǐng)域
電機傳動(dòng)中的電力電子技術(shù)
在 20世紀 90年代中期以前，大多數調速系統都由采用晶閘管和雙向晶閘管器件的變換器供電，最典型的是晶閘管-直流電機調速系統。20世紀 70年代功率晶體管問(wèn)世后，在功率等級較低的電機中逐步采用了功率晶體管變換器.以獲得較好的申電機調速性能。20世紀 90年代中期以來(lái)，大功率IGBT的應用，以及 IGBT逆變技術(shù)的成熟和發(fā)展，迅速在相關(guān)功率等級的應用領(lǐng)域取代了晶閘管和雙向晶閘管。早期的逆變器，主要用于步進(jìn)電機.打印機，機器人以及磁盤(pán)驅動(dòng)器等小功率應用中。在大中功率段常用的交一直一交逆亦器有兩類(lèi)。
IGRT變頻器和GTO變額器。這些逆變器開(kāi)始主要用于20~100kW等級的由機傳動(dòng)系統中。如電動(dòng)汽車(chē)電機傳動(dòng)系統、電力機車(chē)的輔助傳動(dòng)系統。隨著(zhù)器件容量和裝置功率的增加，逐步應用于容量為300~1 000 kW 及其以上的電機傳動(dòng)中，如地鐵列車(chē)和高速電動(dòng)車(chē)組的牽引傳動(dòng)系統中。由于裝置功率大，低壓時(shí)電流很大不經(jīng)濟，所以一般用中壓（1~10kV）。這兩種器件各有優(yōu)缺山.IGBT開(kāi)關(guān)頻率高.但導通壓隆和損耗大;GTO電壓高，電流大，導通壓降小.但開(kāi)關(guān)損耗大、開(kāi)關(guān)頻率低。
但考慮到驅動(dòng)等因素，總體上IGBT要受歡迎得多。針對IGBT和 GTO的優(yōu)缺點(diǎn)，取長(cháng)補短，開(kāi)發(fā)出了IGCT（集成門(mén)極換向晶閘管），它的電壓、電流、導通壓降和 GTO相近，門(mén)極電壓驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)快、頻率高，像IGBT。目前，商品化的IGBT逆變器已經(jīng)做到1 000 kW以上，而像艦船潛艇一類(lèi)的數千千瓦等更高容量的電機傳動(dòng)系統逆變器仍然須采用GTO 或 IGCT。IGCT逆變器在俄國和韓國已有應用，我國也已試驗成功。三相逆變器在大功率電機中的真正實(shí)用化，極大地推動(dòng)了交流電機調速的發(fā)展。
電力系統中的電力電子技術(shù)
電力系統是電力電子技術(shù)應用的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來(lái)電力電子器件和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使已有的研究成果和技術(shù)不斷得到改善。最早成功應用于電力系統的大功率電力電子技術(shù)是高壓自流輸電（HVDC））。
1986年美國電力科學(xué)研穿院提出了靈活交流輸由（FACTS）概念，相繼出現了統一潮流控制器等多種設備。
1988年提出了定制電力（Customer Power）的概念。電力電子技術(shù)在電力系統中的應用，如在發(fā)電環(huán)節中的應用，包括大型發(fā)電機的靜止勵磁控制，水力、風(fēng)力發(fā)申機的變速恒頻勵磁等。在輸電環(huán)節中高壓直流輸電（HVDC）和輕型高壓直流輸電（HVDC Light）技術(shù)。近年來(lái)，輕型直流輸電采用IGBT組成換流器應用在脈寬調制技術(shù)進(jìn)行無(wú)源逆變;靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)是"一項基于電力電子技術(shù)與現代控制技術(shù)對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活、快速調節的輸電技術(shù)"。
在配電系統中的應用，如動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器、電力有源濾波器等，以加強供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿(mǎn)足對電壓形率，諧波和不對稱(chēng)度的要求。又要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和十擾。電力電子技術(shù)和現代控制技術(shù)在配申系統中的應用.是在FACT各項成敦技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的電能質(zhì)量控制新技術(shù)。
汽車(chē)工業(yè)中的電力電子技術(shù)
汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域已成為電力電子技術(shù)的主要增長(cháng)占之—�，F在人們習慣上說(shuō)的治車(chē)由子實(shí)際上就是汽車(chē)工業(yè)中的電力電子技術(shù)。電力電子在新一代汽車(chē)上主要應用于以下方面;用電力電子開(kāi)關(guān)器件替代傳統的機械開(kāi)關(guān)和繼電器;用電力電子控制系統對車(chē)上負載進(jìn)行精密控制∶利用電力電子技術(shù)改造原有的12V電源系統，使之成為多電壓系統;使用適合電力申千控制的、更先進(jìn)的驅動(dòng)申動(dòng)機。預計在不久的將來(lái).從小功率的車(chē)窗 座椅控制。到大功率電傳動(dòng)系統，都蘊涵著(zhù)電力電子技術(shù)的最新成就。
電子點(diǎn)火器，電壓調節器，電動(dòng)機驅動(dòng)控制和音響系統是當前電力電子技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中最普遍的應用�，F代汽車(chē)采用電子點(diǎn)火系統，要點(diǎn)燃氣缸里的混合氣體需要幾千伏的電壓，應用升壓變換器和耦合變壓器正在取代傳統的火花塞。全電子控制的電助力駕駛系統正在某些車(chē)型上采用、這種系統應用電力電子技術(shù)控制電機，協(xié)助轉動(dòng)駕駛桿，改進(jìn)了駕駛響應速度，降低了能耗，并消除了皮帶傳動(dòng)的噪聲，正在取代傳統的皮帶傳動(dòng)的液壓泵。
電制冷空調系統也開(kāi)始在汽車(chē)上裝備。汽車(chē)頭燈的強光燈和尾燈的高亮度LED燈也需要電力電子技術(shù)以有效的形式傳遞電能。一個(gè)重大的技術(shù)進(jìn)步是要提高汽車(chē)電控系統的電壓等級，近期將采用40-50 V等級取代目前的 10~15V等級。比如，汽車(chē)音響系統立體聲功率放大器通常能傳遞 40W甚至更大的功率，但12V的供電電源在8 Q的揚聲器上最大只能產(chǎn)生18 W的輸出，采用電力電子升壓變換器可給功率放大器電路提供更高的電壓，使之達到家用音響的效果。
在電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的主電氣系統中.電力申子都起著(zhù)決定件的作用。純電動(dòng)汽車(chē)具有高性能、零排放，低成本的優(yōu)點(diǎn).但目前仍受電池的陽(yáng)限制�；旌蟿�(dòng)力汽車(chē)采用各種各樣的設計方案，把發(fā)動(dòng)機和電驅動(dòng)系統結合在一起，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。兩種汽車(chē)的能量控制單元都是逆變器和 DC/DC. 變換器，其容量在千瓦級以上。
采用更高電壓、傳遞更大電流的新型充電器已經(jīng)誕生。比如一種稱(chēng)為 Hughes 的感應充電器就很有新意。它使用一種類(lèi)似乒乓球拍的不導電磁性拍板進(jìn)行感應充電。該磁性拍板相當于變壓器的一次側，它把工頻電壓轉變?yōu)?0 kHz 的交流電。電動(dòng)汽車(chē)中的充電埠相當于變壓器的二次側，它把高頻交流電進(jìn)行整流和調節.然后對汽車(chē)里的電池組進(jìn)行充電電力電子技術(shù)更是電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)之一，最為主要的是驅動(dòng)電動(dòng)機的電傳動(dòng)系統。汽車(chē)電傳動(dòng)系統通常由電力電子變換器、電池和控制系統構成。目前新型的電動(dòng)汽車(chē)采用感應電動(dòng)機，無(wú)刷永磁電動(dòng)機開(kāi)關(guān)磁陽(yáng)電動(dòng)機等多種形式.容量從幾十到幾百干瓦不等，正在逐步取代傳統的直流電動(dòng)機驅動(dòng)。電力電子變換技術(shù)的發(fā)展為汽車(chē)的新型傳動(dòng)方式提供了堅實(shí)的技術(shù)保障。
綠色照明中的電力電子技術(shù)
照明是人類(lèi)文明的永恒需求。電光源在 100多年里經(jīng)歷了"白熾燈一直管熒光燈—高壓放電燈—節能熒光燈—無(wú)燈絲燈"等幾代產(chǎn)品。
20世紀 80年代，隨著(zhù)電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展成熟，高頻應用又促成某些更新一代電光源的誕生，從此，電力電子在綠色照明中開(kāi)始占有重要的一席之地�？梢哉f(shuō)，照明技術(shù)的迅速變革，是電力電子技術(shù)在其中起了主要作用。
一個(gè)典型的例子是，緊湊型節能燈和電子鎮流器的問(wèn)世，吹響了以照明節能為核心的綠色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土熒光粉可制成各種色溫的氣體放電節能燈，發(fā)光率比常規熒光燈提高一一倍，可以做成各種形狀便干緊率安裝，替代白熾燈T�？晒濍�75%~80%采用電力電子技術(shù)做成的電子鎮流器實(shí)際上是一個(gè)電子變頻器（從50 Hz變換到30 kHz以上）加一個(gè)高頻電感鎮流器。
由于頻率提高，di/dt 高，不再需要配置起輝器，在供電電壓降低或環(huán)境溫度較低的場(chǎng)合也能使燈管正常工作，此外，在幾十千赫頻率下消除了氣體放電燈的爍和音顆噪聲。 采用申子鎮流器后，高頻電感比工頻電感重量減輕幾十倍，節省材料 80%左右，燈管的實(shí)際工作壽命延長(cháng)3~5倍.同時(shí)能提供更好的可靠性、更低的損耗、更高的亮度。由于電子鎮流器體積小、反應快，它可以在照相機閃光燈和汽車(chē)燈等應用領(lǐng)域中使用。應該說(shuō)，電子鎮流器是電力電子高頻化應用中的一個(gè)典型產(chǎn)品，許多的電力電子新技術(shù)——功率因數校正、諧波抑制、零電壓開(kāi)關(guān)、多種保護等都可以在高性能電子鎮流器中得到應用而提高其可靠性和改善運行參數。
新能源開(kāi)發(fā)中的電力電子技術(shù)
在全球氣候變化和世界石油、煤炭等化石能源日益緊缺的今天，低耗高效和尋找開(kāi)發(fā)新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料電池受到世界各國的高度重視。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、風(fēng)能、潮汐能、地熱能以及生物廢料能等。從燃料電池、微燃氣輪機.風(fēng)能，太陽(yáng)能和潮汐能等新能源中得到的一次電能，難以直接被標準的電氣負載使用.所以.將其高數而經(jīng)濟地轉換為民生用電 。已成為先進(jìn)科技國家兼環(huán)保和發(fā)電的重要產(chǎn)業(yè)政策。電力電子是解決能源問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，它對新能源的開(kāi)發(fā)、轉換、輸送、儲存和利用等各方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。
太陽(yáng)能發(fā)電站一般有兩種方式。一種方式是把太陽(yáng)能轉換為熱液體后再發(fā)電，如太陽(yáng)能熱電廠(chǎng)。由液體加熱系統產(chǎn)生蒸汽以推動(dòng)渦輪或發(fā)電機熱廠(chǎng)中的熱能位儲存裝置可保證連續發(fā)電;另一種方法是直接把太陽(yáng)能轉換為電能，太陽(yáng)能光伏變頻器把太陽(yáng)能電池板獲得的原始低電壓直流電變換為所需要的交流電，或直接供負載使用，或將電能饋入市電。光伏發(fā)電有廣大的市場(chǎng)發(fā)展潛力，先進(jìn)國家不僅政策性地發(fā)展太陽(yáng)能技術(shù)，而且立法制定法規來(lái)規范產(chǎn)業(yè)安全標準。太陽(yáng)能電池板獲得的電壓大小和功率與許多因素有關(guān)，如太陽(yáng)照射角度、云層遮擋水平、季節氣候變化等，所以要對光伏發(fā)電的中間直流電壓進(jìn)行可調的升壓變換處理。
隨著(zhù)再生能源技術(shù)的發(fā)展，"分布式發(fā)電系統"將得到事大的發(fā)展空間。所謂分布式發(fā)電系統是指∶借由諸如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電.天然氣發(fā)電等區域性發(fā)電系統連接而成的公共發(fā)電系統。微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)應用于電力網(wǎng)絡(luò )與輸配電系統，形成一個(gè)智能型分布式再生能源網(wǎng)絡(luò )。講一步的發(fā)展是再生能源網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )結合形成個(gè)整合信自和電力網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)生活環(huán)境，實(shí)現電能的網(wǎng)絡(luò )化。
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