电气工程领域的主要学科方向.ppt

第3章 电气工程领域的主要学科方向 ;3.1 电力电子与电力传动学科简介 ;　　1) 整流器时代 　　大功率的工业用电由工频(50?Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电。因此，在20世纪60年代和70年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那个时代的产物。 ;　　2) 逆变器时代 　　20世纪70年代出现了世界范围内的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0～100?Hz的交流电。20世纪70年代到80年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GTO)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出、静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。 ;　　3) 变频器时代 　　进入20世纪80年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的问世，促使了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来了机遇。 ;　　MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到1995年年底，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。新型器件的发展不但为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。 ;　　2．现代电力电子技术的应用领域 　　1) 计算机高效率绿色电源 　　高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会，同时也促进了电源技术的迅速发展。20世纪80年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进入了电子、电器设备领域。 ;　　计算机技术的发展，提出了绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品；绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源。根据美国环境保护署1992年6月17日“能源之星”计划规定，桌上型个人电脑或相关的外围设备，在睡眠状态下的耗电量若小于30?W，就符合绿色电脑的要求。提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200?W开关电源而言，电源自身要消耗50?W的能源。 ;　　2) 通信用高频开关电源 　　通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将整流器称为一次电源，而将直流/直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48?V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源已被高频开关电源取代，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50～100?kHz范围内，实现了高效率和小型化。近几年来，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量已从48?V/12.5?A、48?V/20?A扩大到48?V/200?A、48?V/400?A。 ;　　因通信设备中所用集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同，在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块，从中间母线电压(一般为48?V直流)变换成所需的各种直流电压，这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。 ;　　3) 直流/直流(DC/DC)变换器 　　DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能20%～30%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 ;　　通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500?kHz左右，