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電子技術的應用領域介紹
電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術(整流，逆變，斬波，變頻，變相等)兩個分支。現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。下面小編來講講電子技術的應用領域介紹，希望對大家有幫助。
電子技術的應用領域介紹
電力電子學(Power Electronics)這一名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形(如圖)對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。"電力電子學"和"電力電子技術"是分別從學術和工程技術2個不同的角度來稱呼的。
一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標志的，電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管和晶閘管變流技術的發(fā)展而確立的。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術，所以晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術的史前或黎明時期。70年代后期以門極可關斷晶閘管(GTO)，電力雙極型晶體管(BJT)，電力場效應管(Power-MOSFET)為代表的全控型器件全速發(fā)展(全控型器件的特點是通過對門極既柵極或基極的控制既可以使其開通又可以使其關斷)。使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT 可看作MOSFET和BJT的復合)為代表的復合型器件集驅動功率小，開關速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，性能優(yōu)越使之成為現(xiàn)代電力電子技術的主導器件。為了使電力電子裝置的結構緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，后來又把驅動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路(PIC)。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。
利用電力電子器件實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術，有時也稱為功率電子技術。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或將直流電能變換成交流電能;將工頻電源變換為設備所需頻率的電源;在正常交流電源中斷時，用逆變器(見電力變流器)將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應用電力電子技術還能實現(xiàn)非電能與電能之間的轉換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉換成電能。與電子技術不同，電力電子技術變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。因此人們關注的是所能轉換的電功率。
電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術，又大多是為應用強電的工業(yè)服務的，故常將它歸屬于電工類。電力電子技術的內容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統(tǒng)。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料為單晶硅;它的理論基礎為半導體物理學;它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據(jù)器件的特點和電能轉換的要求，又開發(fā)出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發(fā)、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次回路及外圍電路。利用這些電路，根據(jù)應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統(tǒng)。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統(tǒng)中大量應用。
應用
一般工業(yè)：
交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)
交通運輸：
電氣化鐵道、電動汽車、航空、航天、航海
電力系統(tǒng)：
高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償
電子裝置電源：
為信息電子裝置提供動力
家用電器：
"節(jié)能燈"、變頻空調
其他：
UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置
作用
(1) 優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調查，潛在節(jié)電總量相當于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應用電力電子技術是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達10%-40%，我國已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應用項目。
(2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達國家預測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機電設備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關，特別是，電力電子技術是弱電控制強電的媒體，是機電設備與計算機之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機作用的保證和基礎。
(3) 電力電子技術高頻化和變頻技術的發(fā)展，將使機電設備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實現(xiàn)最佳工作效率，將使機電設備的體積減小幾倍、幾十倍，響應速度達到高速化，并能適應任何基準信號，實現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。
(4) 電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術與電力電子技術一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術的重大改革。有人甚至提出，電子學的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設備和電網(wǎng)為對象的電子技術應用領域，電力電子技術將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。
拓展
電力電子技術的主要應用領域
電機傳動中的電力電子技術
在 20世紀 90年代中期以前，大多數(shù)調速系統(tǒng)都由采用晶閘管和雙向晶閘管器件的變換器供電，最典型的是晶閘管-直流電機調速系統(tǒng)。20世紀 70年代功率晶體管問世后，在功率等級較低的電機中逐步采用了功率晶體管變換器.以獲得較好的申電機調速性能。20世紀 90年代中期以來，大功率IGBT的應用，以及 IGBT逆變技術的成熟和發(fā)展，迅速在相關功率等級的應用領域取代了晶閘管和雙向晶閘管。早期的逆變器，主要用于步進電機.打印機，機器人以及磁盤驅動器等小功率應用中。在大中功率段常用的交一直一交逆亦器有兩類。
IGRT變頻器和GTO變額器。這些逆變器開始主要用于20~100kW等級的由機傳動系統(tǒng)中。如電動汽車電機傳動系統(tǒng)、電力機車的輔助傳動系統(tǒng)。隨著器件容量和裝置功率的增加，逐步應用于容量為300~1 000 kW 及其以上的電機傳動中，如地鐵列車和高速電動車組的牽引傳動系統(tǒng)中。由于裝置功率大，低壓時電流很大不經(jīng)濟，所以一般用中壓（1~10kV）。這兩種器件各有優(yōu)缺山.IGBT開關頻率高.但導通壓隆和損耗大;GTO電壓高，電流大，導通壓降小.但開關損耗大、開關頻率低。
但考慮到驅動等因素，總體上IGBT要受歡迎得多。針對IGBT和 GTO的優(yōu)缺點，取長補短，開發(fā)出了IGCT（集成門極換向晶閘管），它的電壓、電流、導通壓降和 GTO相近，門極電壓驅動，開關快、頻率高，像IGBT。目前，商品化的IGBT逆變器已經(jīng)做到1 000 kW以上，而像艦船潛艇一類的數(shù)千千瓦等更高容量的電機傳動系統(tǒng)逆變器仍然須采用GTO 或 IGCT。IGCT逆變器在俄國和韓國已有應用，我國也已試驗成功。三相逆變器在大功率電機中的真正實用化，極大地推動了交流電機調速的發(fā)展。
電力系統(tǒng)中的電力電子技術
電力系統(tǒng)是電力電子技術應用的一個重要領域。近年來電力電子器件和計算機技術的快速發(fā)展，使已有的研究成果和技術不斷得到改善。最早成功應用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術是高壓自流輸電（HVDC））。
1986年美國電力科學研穿院提出了靈活交流輸由（FACTS）概念，相繼出現(xiàn)了統(tǒng)一潮流控制器等多種設備。
1988年提出了定制電力（Customer Power）的概念。電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用，如在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應用，包括大型發(fā)電機的靜止勵磁控制，水力、風力發(fā)申機的變速恒頻勵磁等。在輸電環(huán)節(jié)中高壓直流輸電（HVDC）和輕型高壓直流輸電（HVDC Light）技術。近年來，輕型直流輸電采用IGBT組成換流器應用在脈寬調制技術進行無源逆變;靈活交流輸電（FACTS）技術是"一項基于電力電子技術與現(xiàn)代控制技術對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活、快速調節(jié)的輸電技術"。
在配電系統(tǒng)中的應用，如動態(tài)無功發(fā)生器、電力有源濾波器等，以加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓形率，諧波和不對稱度的要求。又要抑制各種瞬態(tài)的波動和十擾。電力電子技術和現(xiàn)代控制技術在配申系統(tǒng)中的應用.是在FACT各項成敦技術的基礎上發(fā)展起來的電能質量控制新技術。
汽車工業(yè)中的電力電子技術
汽車工業(yè)領域已成為電力電子技術的主要增長占之—。現(xiàn)在人們習慣上說的治車由子實際上就是汽車工業(yè)中的電力電子技術。電力電子在新一代汽車上主要應用于以下方面;用電力電子開關器件替代傳統(tǒng)的機械開關和繼電器;用電力電子控制系統(tǒng)對車上負載進行精密控制∶利用電力電子技術改造原有的12V電源系統(tǒng)，使之成為多電壓系統(tǒng);使用適合電力申千控制的、更先進的驅動申動機。預計在不久的將來.從小功率的車窗 座椅控制。到大功率電傳動系統(tǒng)，都蘊涵著電力電子技術的最新成就。
電子點火器，電壓調節(jié)器，電動機驅動控制和音響系統(tǒng)是當前電力電子技術在汽車工業(yè)中最普遍的應用。現(xiàn)代汽車采用電子點火系統(tǒng)，要點燃氣缸里的混合氣體需要幾千伏的電壓，應用升壓變換器和耦合變壓器正在取代傳統(tǒng)的火花塞。全電子控制的電助力駕駛系統(tǒng)正在某些車型上采用、這種系統(tǒng)應用電力電子技術控制電機，協(xié)助轉動駕駛桿，改進了駕駛響應速度，降低了能耗，并消除了皮帶傳動的噪聲，正在取代傳統(tǒng)的皮帶傳動的液壓泵。
電制冷空調系統(tǒng)也開始在汽車上裝備。汽車頭燈的強光燈和尾燈的高亮度LED燈也需要電力電子技術以有效的形式傳遞電能。一個重大的技術進步是要提高汽車電控系統(tǒng)的電壓等級，近期將采用40-50 V等級取代目前的 10~15V等級。比如，汽車音響系統(tǒng)立體聲功率放大器通常能傳遞 40W甚至更大的功率，但12V的供電電源在8 Q的揚聲器上最大只能產(chǎn)生18 W的輸出，采用電力電子升壓變換器可給功率放大器電路提供更高的電壓，使之達到家用音響的效果。
在電動汽車和混合動力汽車的主電氣系統(tǒng)中.電力申子都起著決定件的作用。純電動汽車具有高性能、零排放，低成本的優(yōu)點.但目前仍受電池的陽限制。混合動力汽車采用各種各樣的設計方案，把發(fā)動機和電驅動系統(tǒng)結合在一起，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。兩種汽車的能量控制單元都是逆變器和 DC/DC. 變換器，其容量在千瓦級以上。
采用更高電壓、傳遞更大電流的新型充電器已經(jīng)誕生。比如一種稱為 Hughes 的感應充電器就很有新意。它使用一種類似乒乓球拍的不導電磁性拍板進行感應充電。該磁性拍板相當于變壓器的一次側，它把工頻電壓轉變?yōu)?0 kHz 的交流電。電動汽車中的充電埠相當于變壓器的二次側，它把高頻交流電進行整流和調節(jié).然后對汽車里的電池組進行充電電力電子技術更是電動汽車的核心技術之一，最為主要的是驅動電動機的電傳動系統(tǒng)。汽車電傳動系統(tǒng)通常由電力電子變換器、電池和控制系統(tǒng)構成。目前新型的電動汽車采用感應電動機，無刷永磁電動機開關磁陽電動機等多種形式.容量從幾十到幾百干瓦不等，正在逐步取代傳統(tǒng)的直流電動機驅動。電力電子變換技術的發(fā)展為汽車的新型傳動方式提供了堅實的技術保障。
綠色照明中的電力電子技術
照明是人類文明的永恒需求。電光源在 100多年里經(jīng)歷了"白熾燈一直管熒光燈—高壓放電燈—節(jié)能熒光燈—無燈絲燈"等幾代產(chǎn)品。
20世紀 80年代，隨著電力電子變頻技術的發(fā)展成熟，高頻應用又促成某些更新一代電光源的誕生，從此，電力電子在綠色照明中開始占有重要的一席之地。可以說，照明技術的迅速變革，是電力電子技術在其中起了主要作用。
一個典型的例子是，緊湊型節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器的問世，吹響了以照明節(jié)能為核心的綠色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土熒光粉可制成各種色溫的氣體放電節(jié)能燈，發(fā)光率比常規(guī)熒光燈提高一一倍，可以做成各種形狀便干緊率安裝，替代白熾燈T。可節(jié)電75%~80%采用電力電子技術做成的電子鎮(zhèn)流器實際上是一個電子變頻器（從50 Hz變換到30 kHz以上）加一個高頻電感鎮(zhèn)流器。
由于頻率提高，di/dt 高，不再需要配置起輝器，在供電電壓降低或環(huán)境溫度較低的場合也能使燈管正常工作，此外，在幾十千赫頻率下消除了氣體放電燈的爍和音顆噪聲。 采用申子鎮(zhèn)流器后，高頻電感比工頻電感重量減輕幾十倍，節(jié)省材料 80%左右，燈管的實際工作壽命延長3~5倍.同時能提供更好的可靠性、更低的損耗、更高的亮度。由于電子鎮(zhèn)流器體積小、反應快，它可以在照相機閃光燈和汽車燈等應用領域中使用。應該說，電子鎮(zhèn)流器是電力電子高頻化應用中的一個典型產(chǎn)品，許多的電力電子新技術——功率因數(shù)校正、諧波抑制、零電壓開關、多種保護等都可以在高性能電子鎮(zhèn)流器中得到應用而提高其可靠性和改善運行參數(shù)。
新能源開發(fā)中的電力電子技術
在全球氣候變化和世界石油、煤炭等化石能源日益緊缺的今天，低耗高效和尋找開發(fā)新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料電池受到世界各國的高度重視。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、風能、潮汐能、地熱能以及生物廢料能等。從燃料電池、微燃氣輪機.風能，太陽能和潮汐能等新能源中得到的一次電能，難以直接被標準的電氣負載使用.所以.將其高數(shù)而經(jīng)濟地轉換為民生用電 。已成為先進科技國家兼環(huán)保和發(fā)電的重要產(chǎn)業(yè)政策。電力電子是解決能源問題的關鍵技術，它對新能源的開發(fā)、轉換、輸送、儲存和利用等各方面發(fā)揮著重要作用。
太陽能發(fā)電站一般有兩種方式。一種方式是把太陽能轉換為熱液體后再發(fā)電，如太陽能熱電廠。由液體加熱系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽以推動渦輪或發(fā)電機熱廠中的熱能位儲存裝置可保證連續(xù)發(fā)電;另一種方法是直接把太陽能轉換為電能，太陽能光伏變頻器把太陽能電池板獲得的原始低電壓直流電變換為所需要的交流電，或直接供負載使用，或將電能饋入市電。光伏發(fā)電有廣大的市場發(fā)展?jié)摿Γ冗M國家不僅政策性地發(fā)展太陽能技術，而且立法制定法規(guī)來規(guī)范產(chǎn)業(yè)安全標準。太陽能電池板獲得的電壓大小和功率與許多因素有關，如太陽照射角度、云層遮擋水平、季節(jié)氣候變化等，所以要對光伏發(fā)電的中間直流電壓進行可調的升壓變換處理。
隨著再生能源技術的發(fā)展，"分布式發(fā)電系統(tǒng)"將得到事大的發(fā)展空間。所謂分布式發(fā)電系統(tǒng)是指∶借由諸如風力發(fā)電、太陽能發(fā)電.天然氣發(fā)電等區(qū)域性發(fā)電系統(tǒng)連接而成的公共發(fā)電系統(tǒng)。微電子技術、電力電子技術應用于電力網(wǎng)絡與輸配電系統(tǒng)，形成一個智能型分布式再生能源網(wǎng)絡。講一步的發(fā)展是再生能源網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡結合形成個整合信自和電力網(wǎng)絡的未來生活環(huán)境，實現(xiàn)電能的網(wǎng)絡化。
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