一、電力電子技術(shù)概述
電力電子技術(shù)是一門具有很強(qiáng)應(yīng)用性的新興學(xué)科,電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)是其基本組成。通常來講,電力技術(shù)涉及的主要是發(fā)電、輸配電及電力應(yīng)用,電子技術(shù)涉及的主要是各種電路組成的電子系統(tǒng)、設(shè)備及電子器件,電力電子技術(shù)器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),而電氣電力技術(shù)的應(yīng)用就是對電力電子器件的電能控制與轉(zhuǎn)換。邁入新世紀(jì),作為一種高新技
術(shù),電力電子技術(shù)對人們生活的影響越來越深刻。當(dāng)前,電力電子技術(shù)主要包括:變頻控制器、交流高壓凈化電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源、逆變電源等。且隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通訊、生物工程、計算機(jī)、工業(yè)控制、國防安全等多個領(lǐng)域。
二、電力電子技術(shù)的發(fā)展
近年來,我國的電子電子技術(shù)取得了迅速的發(fā)展,完成了由當(dāng)初半控、低頻、小功率器件向全控、高頻、超大功率的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前,晶閘管仍是我國主要生產(chǎn)的電力電子器件,其中低檔產(chǎn)品已經(jīng)趨于成熟,且出口數(shù)量相當(dāng)可觀。電力電子技術(shù)是通過對電子器件的應(yīng)用來現(xiàn)多種的電能控制和變換的,通過電力電子技術(shù)來制造電力電子裝置,可用弱電來控制強(qiáng)電,具有降耗、節(jié)能、省材、用電質(zhì)量提高等優(yōu)點??梢哉f,正式因為電力電子技術(shù)諸多優(yōu)勢的存在,才使其成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。但反觀,相比于發(fā)達(dá)國家,我國在電力電子器件質(zhì)量和品種上的差距仍非常大,尚缺乏生產(chǎn)新一代電力電子器件的能力。這情況下,為同我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本需要相適應(yīng),就必須在新型電力電子器件的開發(fā)生產(chǎn)方面下功夫,并將其盡快地推至市場。
在未來的一段時期內(nèi),對于四大類電力電子器件的研發(fā)應(yīng)當(dāng)成為電力電子行業(yè)的工作重心,它們是當(dāng)今技術(shù)水平的代表,且有著良好的市場前景。在實際的器件研發(fā)當(dāng)中,注重對關(guān)鍵技術(shù)的突破,來推進(jìn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新:首先,加速對大功率晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、快速晶閘管、高頻晶閘管等高新技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)。在高壓擴(kuò)散技術(shù)、全壓接技術(shù)、高壓器件設(shè)計、表面造型保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)上有所突破;其次,加快對ICCT產(chǎn)品的開發(fā)。著眼于CCT的設(shè)計、硬門極觸發(fā)設(shè)計、封裝技術(shù)、均勻擴(kuò)散技術(shù)、精密光刻挖槽技術(shù)、保護(hù)技術(shù)、造型技術(shù)、制造技術(shù)及透明發(fā)射極制造技術(shù)等急需解決的方面;再次,加大對工藝裝備復(fù)雜、技術(shù)難度大的IGBT產(chǎn)品的開發(fā),將大功率電力電子技術(shù)同大規(guī)模集成電路制造技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起。且高壓器件設(shè)計技術(shù)、IGBT芯片的封裝測試技術(shù)和高壓場環(huán)技術(shù)是當(dāng)下需要著手解決的;zui后,加快對大功率速軟二極管的開發(fā),將自建電場雜志濃度擴(kuò)散技術(shù)、雜質(zhì)分布控制技術(shù)及電場基區(qū)厚度截止等難題盡快解決。
三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用分析
(一)工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
工業(yè)領(lǐng)域中,交直流電動機(jī)的應(yīng)用十分普遍,如大型鼓風(fēng)機(jī)、數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)等。當(dāng)前,在大量冶金工業(yè)中,電力電子技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于直流電弧爐電源、淬火電源、中高頻感應(yīng)加熱電源中。同時,在水電廠的蓄能機(jī)組中,應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)科對大型機(jī)組工作狀態(tài)、調(diào)速作出改變。此外,工業(yè)領(lǐng)域的有很多高溫場合,而在高溫環(huán)境下,電力電子裝置的應(yīng)用有著十分嚴(yán)格的散熱要求。然而隨著電力電子器件頻率不斷提高、容量不斷增加,器件發(fā)熱問題就凸顯出來,尤其是在一些高溫應(yīng)用場合,如散熱措施不適當(dāng),就很有可能造成器件溫度超過所允許的zui高溫。結(jié)合高工作溫度、大容量的應(yīng)用場合,提出了液態(tài)冷卻,其相比于氣體冷卻和油冷,可提高兩個數(shù)量級的導(dǎo)熱系數(shù),其散熱效率比較如表1所示。
通過實踐表明,該水冷裝置的故障率很低,且具有體積小、冷卻效率高、無污染等顯著優(yōu)勢。可以說,該裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣,為電力電子技術(shù)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)保障,從而使器件潛力得到充分發(fā)揮。
(二)交通運輸中的應(yīng)用
電力電子技術(shù)在電氣化鐵道中有著廣泛應(yīng)用,整流裝置被應(yīng)用于直流機(jī)車中,交流機(jī)中應(yīng)用變頻裝置。同時,鐵道車輛中,直流斬波器的應(yīng)用也十分廣泛,在磁懸浮列車的未來發(fā)展,電力電子技術(shù)扮演者重要角色。除電機(jī)的牽引轉(zhuǎn)動外,各種車輛輔助電源同電力電子技術(shù)也密不可分,電動汽車電機(jī)的驅(qū)動與交換就是憑借電力電子裝置來現(xiàn)的,且在蓄電池充電
過程,也需要電力電子裝置的參與來完成。船舶、飛機(jī)均需要很多電源,且有著不同要求,故它們同電力電子技術(shù)難以分割。而如果將電梯也視作交通運輸?shù)脑?,且也需要電力電子技術(shù)的參與,以往,直流調(diào)速系統(tǒng)在電梯中普遍應(yīng)用,而近年來,電梯中應(yīng)用方式也主要集中在交流變頻調(diào)速。
(三)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
在電力系統(tǒng)中,電力電子技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用,相關(guān)數(shù)據(jù)表明,在用戶電能的zui終使用中,發(fā)達(dá)國家的電力電子變流裝置至少對60%以上的電能作出過至少一次的處理。而電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展中,電力電子技術(shù)同樣是作為關(guān)鍵技術(shù)而存在的,扮演者直觀重要的角色,不夸張的來講,如脫離了電力電子技術(shù),現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)將難以想象。在大容量、長距離的輸電中,直流輸電有著很大優(yōu)勢,晶閥管變流裝置在送電端整流閥與受電端逆變閥中均有應(yīng)用。近年來,逐漸發(fā)展起來的FACTS(柔性交流輸電)也是在電力電子裝置的參與下才得以現(xiàn)的。FACTS是現(xiàn)代控制技術(shù)與電力電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,可對電力系統(tǒng)的電壓、相位角、參數(shù)、功率潮流作連續(xù)性調(diào)控,從而使得輸電損耗大幅降低,促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定水平和輸電能力的有效提高。近年來,ASCTS開始在美國、日本、巴西、瑞典等國的重要超高壓輸電工程中應(yīng)用,其典型運用如表2所示。
(四)家用電器中的應(yīng)用
家用電器中照明的地位十分突出,因電力電子照明電源發(fā)光效率高、體積小,有大量能源節(jié)約,故被稱之為“節(jié)能燈”且正在對傳統(tǒng)的日光燈、白熾燈進(jìn)行取代。家用電器中,電力電子技術(shù)應(yīng)用的典型例子是變頻空調(diào)器,且電視機(jī)、家用計算機(jī)、音響設(shè)備等電子設(shè)備的電源部分也均需要電力電子技術(shù)的支持。可以說,電力電子技術(shù)在家用電器中的廣泛應(yīng)用,使其日益貼近我們的生活。
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