关于电力电子器件分类与应用思考
3电力电子器件的发展历程
电力电子器件的发展,可分为以下四个阶段:
第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势,取代了早先的汞弧整流器。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,功率二极管开始应用于电力领域,1956年贝尔实验室又发明了晶闸管,1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管器件,开创了传统的电力电子器件应用技术阶段,实现了弱电对强电的控制,在工业界引起了一场技术革命。晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装置和电动机传动系统得到了快速发展。但关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。
第二阶段是20世纪70年代后期以GTO、GTR和功率MOSFET等全控型器件为代表的发展阶段。这一阶段的电力电子器件开关速度高于晶闸管,它们的应用使变流器的高频化得以实现。
第三阶段是20世纪80年代后期以IGBT复合型器件为代表的发展阶段。IGBT是功率MOSFET和GTR的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快;GTR的特点是通态压降小、载流能力大。IGBT的优越性能使之成为电力电子器件应用技术的主导器件。
第四阶段是以PIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段。高速、全控型、大电流、集成化和多功能的电力电子器件先后问世,开创了现代电力电子集成器件的新阶段。这一阶段,所使用的电力电子器件是将全控型电力电子器件与驱动电路、控制电路、传感电路、保护电路、逻辑电路等集成在一起的高度智能化PIC,它实现了器件与电路、强电与弱电、功率流与信息流的集成,成为机和电之间的智能化接口、机电一体化的基础单元。国内外电力电子器件的最新研制水平见表2。
4电力电子器件的应用与展望
电力电子器件的应用是电力电子技术的一部分。电力电子器件的应用技术称为变流技术,它包括用电力电子器件构成各种电力电子电路和对这些电路进行控制的技术,以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。
4.1变流技术的分类
(1)AC/DC变换。把交流电压变换成固定或可调的直流电压称为整流。这类变换装置通常称为整流器。
(2)DC/AC变换。把直流电变换成频率固定或可调的交流电称为逆变。这类变换装置通常称为逆变器。按电源性质可分为电压型逆变和电流型逆变,按控制方式可分为方波逆变、PWM型逆变和谐振型(软开关)逆变,按换相性质可分为靠电网换相的有源逆变和自关断的无源逆变。
(3)AC/AC变换。把一种形式的交流电变换成频率、电压可调或固定的另一种形式的交流电,只对电压、电流或对电路的通断进行控制而不改变频率的称为电力控制,改变频率的称为变频控制。
(4)DC/DC变换。把固定的直流电压(或电流)变换成可调或恒定的另一种直流电压(或电流),称为斩波。DC/DC变换广泛应用于计算机电源、各类仪器仪表、直流电动机调速及金属焊接等。谐振型软开关技术是DC/DC变换的发展方向,该技术可减小变换器体积、质量,提高可靠性,并有效解决开关损耗问题。
4.2电力电子器件的应用
近年来,由于电力电子变流技术的迅猛发展,已经成为其他工业技术发展的重要基础。电力电子器件不仅应用于电力系统,也广泛应用于工业、交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统;还应用于照明、空调等家用电器中,可概括为以下几个领域:
(1)电力系统。为了控制和改善供电质量,发电厂发出的交流电必须经过电力电子装置的处理后送到用户端,没有电力电子器件的应用,就没有电力系统的现代化。从技术层面来讲,电力市场的引入将产生对电力品质的改善装置,如不间断电源(UPS)、静止无功补偿装置(SVC)、静止无功发生器(SVG)、动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器(APF)、限流器、电力储能装置、微型燃气发电机(MicroCasTurbo)等新需求;再生能源、环保发电技术等分散发电将需要交直流变流装置。
(2)新能源利用与环境保护。电力电子器件装置还用于太阳能发电、风力发电装置与电力系统的联网,以及太阳能发电与风力发电电能的改善。现代社会对环境造成了严重的污染,温室气体的排放引起了国际社会的关注。我国改革开放以来能源消费量急剧上升,二氧化碳排放量也有较大增加。我国十分重视再生能源的开发,2006年我国实施了《再生能源法》。光伏、风力、燃料电池等新能源发电技术推动电力电子技术的应用,并形成电力电子技术的巨大市场。(3)混合动力汽车。由于电力电子器件应用技术的迅速发展,交流电动机的调速性能可以和直流电动机相媲美。在工业电动机的控制中,交流调速、直流调速以及节能和软起动都是通过电力电子器件实现的,其驱动结构如图1所示。
(4)交通运输。铁道电气化、电力机车控制、磁悬浮列车的使用都离不开电力电子器件,高级汽车中许多电机的控制是靠变频或斩波实现的。电动汽车的电动机控制和蓄电池充电也是靠电力电子装置实现,飞机、船舶、电梯等都离不开电力电子装置。
(5)电源。不间断电源、电解电源、电镀电源、开关电源、微机及仪器仪表电源、航空电源、通信电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源、动力牵引及传动控制用电源都是靠变流技术实现的。
(6)家用电器。用于家庭照明的LED节能灯,体积小、发光效率高、节省能量多,这是通过电力电子器件把交流电转换成电力电子照明电源来实现的。此外,变频空调、电视机、音响、洗衣机、电冰箱、微波炉、计算机等都离不开电力电子器件的应用。
总之,电力电子技术已经渗透到现代社会的各个方面,其应用涉及航天、国防、工农业生产、交通、文教卫生、办公自动化及家用电器等各个领域。电力电子器件的应用与国民经济和日常生活、工作息息相关。未来90%的电能均需通过电力电子处理后再加以利用,以便提高能源利用效率、提高工业生产效率、实现再生能源的最大利用。电力电子技术将在21世纪为建设一个节能、环保、和谐的社会发挥重要作用。
责任编辑:电力交易小郭
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