電力電子學(xué)

　　電力電子學(xué)（power electronics，PE）又稱功率電子學(xué)，主要是指應(yīng)用于電力領(lǐng)域中的電子技術(shù)，即使用高功率之固態(tài)電子器件（功率半導(dǎo)體元件）針對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換與控制，以提供負(fù)載所需形式之電壓或電流的電子技術(shù)。

　　電力電子學(xué)在發(fā)展上，主要包含：電力電子元件制造技術(shù)、電力電子元件應(yīng)用技術(shù)；后者即為變流技術(shù)。隨著應(yīng)用的不同，變流技術(shù)可分為直流電轉(zhuǎn)換直流電（DC-DC）、交流電轉(zhuǎn)換直流電（AC-DC）、直流電轉(zhuǎn)換交流電（DC-AC）與交流電轉(zhuǎn)換交流電（AC-AC）四種類型。變流技術(shù)主要以電力電子元件與被動(dòng)元件構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路，并借由對(duì)轉(zhuǎn)換電路上之電力電子元件的控制，完成所需之電能轉(zhuǎn)換的功能；因此變流技術(shù)涵蓋了電路架構(gòu)設(shè)計(jì)、磁性元件設(shè)計(jì)、控制策略等多樣技術(shù)，并根據(jù)應(yīng)用上的不同可能又同時(shí)包含電力系統(tǒng)、再生能源、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電池儲(chǔ)能等。

　　由上述得知，電力電子學(xué)廣泛涵蓋電路學(xué)、電子學(xué)、控制理論、電磁學(xué)、信號(hào)處理、電力系統(tǒng)、電機(jī)機(jī)械、半導(dǎo)體物理學(xué)等多科學(xué)門；但以美國(guó)威廉·尼威爾所提出：電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而成的觀點(diǎn)，獲全世界普遍認(rèn)同。

電子電力技術(shù)的歷史

　　電力電子學(xué)的概念起源于1902年，美國(guó)彼得·庫(kù)柏·翰威特利用內(nèi)含液態(tài)汞的陰極放電管，發(fā)明汞蒸氣型整流器，該發(fā)明可將電流高達(dá)數(shù)千安培的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而其容忍電壓也高達(dá)一萬(wàn)伏特以上。

　　這個(gè)汞蒸氣型的整流器，1930年開始，這種原始的整流器開始匹配一個(gè)類似于通管技術(shù)的點(diǎn)陣式(或晶格結(jié)構(gòu))類比控制器，從而實(shí)現(xiàn)了直流電流的可控制性(引燃管,閘流管)。由于正向可通過的電壓約為20伏特，進(jìn)而乘于正向可通過的電流就產(chǎn)生了可觀的電功率損失，由此而來(lái)的投資和運(yùn)營(yíng)成本等等也會(huì)相應(yīng)的增加。因而這種整流器在現(xiàn)今的功率電子技術(shù)方面并不會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

　　隨著半導(dǎo)體在整流方面的應(yīng)用，第一個(gè)半導(dǎo)體整流器(硒和氧化亞銅整流器)被發(fā)明出來(lái)。

　　1957年，通用電氣研發(fā)出第一種可控式功率型半導(dǎo)體，后來(lái)命名為晶閘管。之后進(jìn)一步地研發(fā)出多種類型的可控式功率型半導(dǎo)體。這些半導(dǎo)體如今也在驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面得到廣泛應(yīng)用。

特征與應(yīng)用領(lǐng)域

　　功率電子技術(shù)首先使電能轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了可能。其中包括:電壓、電流與頻率。這些轉(zhuǎn)換設(shè)備被稱為電流變流器(整流器)。又根據(jù)其功能性的不同被分為直流轉(zhuǎn)換器,交流轉(zhuǎn)換器與互交換轉(zhuǎn)換器等。

　　進(jìn)而出現(xiàn)功率電子技術(shù)化的電子元件與元件。這些電子元件被用作電器的開關(guān)(電門或電閘)。除此之外如今也被應(yīng)用在電擊保護(hù)和電流監(jiān)控等方面。并根據(jù)是否含有活動(dòng)塊的不同,被分為繼電器和接觸器。

• 　　通過整流器實(shí)現(xiàn)交流電與直流電壓間的轉(zhuǎn)換。

• 　　通過逆變器實(shí)現(xiàn)直流電壓與交流電間的轉(zhuǎn)換。

• 　　通過直流/直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC-變流器)實(shí)現(xiàn)直流電壓的強(qiáng)度變化。

• 　　通過交流/交流轉(zhuǎn)換器(或變頻器)實(shí)驗(yàn)交流電的頻率或者振幅的變化。

　　在微電子技術(shù)發(fā)展帶領(lǐng)下,功率電子技術(shù)化的電子元件實(shí)現(xiàn)了更好的控制和調(diào)控性。并給予功率電子技術(shù)更好的發(fā)展前景。

　　在電力驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面,運(yùn)用功率電子技術(shù)中的可控制性實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確調(diào)控。因而現(xiàn)今的大型電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和電力機(jī)車都運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)經(jīng)行控制。

　　同樣,在能量的產(chǎn)生和傳送方面,功率電子技術(shù)也有舉足輕重的地位。而一些微功率設(shè)備與用傳統(tǒng)同步電機(jī)作為能量供給者的設(shè)備中卻很難得到應(yīng)用。通過變頻器實(shí)現(xiàn)電能向電力網(wǎng)絡(luò)的輸送。功率電子技術(shù)也應(yīng)用在電能傳輸過程,實(shí)現(xiàn)從交叉耦合到高頻去耦的網(wǎng)絡(luò)銜接。這種高壓直流傳輸技術(shù)也被應(yīng)用在從變電站到火車電力網(wǎng)絡(luò)和城市輕軌網(wǎng)絡(luò)的電力傳輸。

　　同樣,在三相電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)針對(duì)性調(diào)控方面,功率電子技術(shù)在FACTS(精確交流傳動(dòng)系統(tǒng))中得到運(yùn)用。借助于UPFC(統(tǒng)一功率流調(diào)節(jié)器)實(shí)現(xiàn)從封閉式的傳輸網(wǎng)絡(luò)到單一的電路中的導(dǎo)向性功率流的設(shè)置。從而使輸送電路在傳輸電路實(shí)現(xiàn)盡可能的利用。

　　功率電子技術(shù)在汽車制造方面也愈顯重要。在這方面,有許多的耗能設(shè)備需要通過功率電子技術(shù)化的元件進(jìn)行接通(電流)與控制。在汽車方面的第一個(gè)應(yīng)用就是常見的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器,因而使直流發(fā)電機(jī)被效率更高,體積更小,維護(hù)簡(jiǎn)易的交流電機(jī)所代替成為可能。其他的應(yīng)用如電子點(diǎn)火器(晶閘管)和內(nèi)燃機(jī)中的電子燃油噴射裝置。

　　混合動(dòng)力汽車（例如豐田普瑞斯）也可以歸屬于電動(dòng)汽車（叉式裝卸機(jī)“E-Car”），其驅(qū)動(dòng)功率由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生。其所需電能必須借助于功率電子技術(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電壓和頻率。因而功率強(qiáng)度需通過直流調(diào)控器和逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可實(shí)現(xiàn)電能在電池和雙電層電容器(Super Caps)儲(chǔ)存的過程。

　　功率電子技術(shù)在高頻應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代落后的管技術(shù)。在超高頻和大功率應(yīng)用方面卻更多地采用電子管(調(diào)速管,磁控管),在感應(yīng)熱依舊存在的情況下,能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化,高效能,免維修和持久使用的性能全部要?dú)w功于功率電子技術(shù)。

　　其他例子,可以參考逆變換流器在電弧焊中的應(yīng)用以及中頻逆變器在電阻焊中的應(yīng)用。

應(yīng)用

• 　　AC-DC轉(zhuǎn)換（整流電路）：將交流電變?yōu)樗璧闹绷麟姷碾娐贰?/span>

　　應(yīng)用于：電腦的電源供應(yīng)器

• 　　DC-DC轉(zhuǎn)換（直流斬波電路）：將直流電變?yōu)樗璧闹绷麟姷碾娐贰?/span>

　　應(yīng)用于：電腦的電源供應(yīng)器

• 　　AC-AC轉(zhuǎn)換（交流電力控制電路和交流變頻電路）：將交流電變?yōu)樗璧慕涣麟姷碾娐贰?/span>

　　應(yīng)用于：在線不間斷電源、變頻式冷氣機(jī)、電梯

• 　　DC-AC轉(zhuǎn)換（逆變電路）：將直流電變?yōu)樗璧慕涣麟姷碾娐贰?/span>

　　應(yīng)用于：不間斷電源、警急照明

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