电力电子学

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电力电子学,又稱「功率電子學」(英文:Power Electronics),簡稱PE,是应用于电力领域,使用电力电子元件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子学分为电力电子元件制造技术和变流技术。一般认为,1957年美国美国通用电气公司研制出第一个電晶體是电力电子学诞生的标志。
1974年,美国的W. Newell提出:电力电子学是由电力学电子学控制理论三个学科交叉而行成。这一观点被全世界普遍接受。

電子電力技術的歷史[编辑]

汞蒸气整流器

隨著1902年第一個整流器的問世,進而引入了功率電子學這個概念。原始整流器是一個內含液態汞的陰極放電管。

這個汞蒸氣型的整流器,可以將數千安培的交流電轉換為直流電,其容忍電壓也高達一萬伏特以上。從1930年開始,這種原始的整流器開始匹配一個類似于通管技術的點陣式(或晶格結構)類比控制器,從而實現了直流電流的可控制性(引燃管,閘流管)。由於正向可通過的電壓約為20伏特,進而乘于正向可通過的電流就產生了可觀的電功率損失,由此而來的投資和運營成本等等也會相應的增加。因而這種整流器在現今的功率電子技術方面並不會得到廣泛的應用。

隨著半導體在整流方面的應用,第一個半導體整流器(硒和氧化亞銅整流器)被發明出來。

1957年,通用電氣研發出第一種可控式功率型半導體,後來命名為晶閘管。之後進一步地研發出多種類型的可控式功率型半導體。這些半導體如今也在驅動技術方面得到廣泛應用。

特徵與應用領域[编辑]

不同类型的晶闸管

功率電子技術 首先使電能轉換實現了可能。其中包括:電壓,電壓強度,電流,與電流頻率。這些轉換設備被稱為電流變流器(整流器)。又根據其功能性的不同被分為直流轉換器,交流轉換器與互交換轉換器等。
進而出現功率電子技術化的電子元件與元件。這些電子元件被用作電器的開關(電門或電閘)。除此之外如今也被應用在電擊保護電流監控等方面。並根據是否含有活動塊的不同,被分為繼電器接觸器

在微電子技術發展帶領下,功率電子技術化的電子元件實現了更好的控制和調控性。並給予功率電子技術更好的發展前景。

在電力驅動的驅動技術方面,運用功率電子技術中的可控制性實現電動機運行狀態的精確調控。因而現今的大型電機驅動設備和電力機車都運用此項技術經行控制。

同樣,在能量的產生和傳送方面,功率電子技術也有舉足輕重的地位。而一些微功率設備與用傳統同步發電機作為能量供給者的設備中卻很難得到應用。通過頻率轉換器實現電能向電力網絡的輸送。功率電子技術也應用在電能傳輸過程,實現從交叉耦合高頻去耦的網路銜接。這種高壓直流傳輸技術也被應用在從變電站到火車電力網路和城市輕軌網路的電力傳輸。

同樣,在三相交流高壓網路中實現針對性調控方面,功率電子技術在FACTS(精確交流傳動系統)中得到運用。借助于UPFC(統一功率流調節器)實現從封閉式的傳輸網路到單一的電路中的導向性功率流的設置。從而使輸送電路在傳輸電路實現盡可能的利用。

功率電子技術在汽車製造方面也愈顯重要。在這方面,有許多的耗能設備需要通過功率電子技術化的元件進行接通(電流)與控制。在汽車方面的第一個應用就是常見的發電機調節器,因而使直流發電機被效率更高,體積更小,維護簡易的交流電機所代替成為可能。其他的應用如電子點火器(晶閘管)和內燃機中的電子燃油噴射裝置。

混合動力汽車(例如豐田普瑞斯)也可以歸屬於電動汽車(叉式裝卸機,“E-Car”),其驅動功率由一台電動機產生。其所需電能必須借助于功率電子技術轉換為驅動電機所需的電壓和頻率。因而功率強度需通過直流調控器和交流整流器來實現。也可實現電能在電池和雙電層電容器(Super Caps)儲存的過程。

功率電子技術在高頻應用領域逐漸取代落後的管技術。在超高頻和大功率應用方面卻更多地採用電子管(調速管,磁控管),在感應熱依舊存在的情況下,能實現設備的小型化,高效能,免維修和持久使用的性能全部要歸功於功率電子技術。

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

應用[编辑]