1.5 电力电子技术的应用

应用电力电子技术构成的装置,按其功能可分为以下四种类型,对应了四大类电能变换技术:

(1)可控整流器把交流电压变换成固定或可调的直流电压。

(2)逆变器把直流电压变换成频率固定或可调的交流电压。

(3)斩波器把固定或变化的直流电压变换成可调或固定的直流电压。

(4)交流调压器及变频器把固定或变化的交流电压变换成可调或固定的交流电压。

这些装置单独应用了相关的变换技术,它们可以直接适用于某些特定场合。但也有不少其他装置综合运用了几种技术,比如变频器可能就结合了整流、斩波及逆变技术。可以说,电力电子装置及产品五花八门、品种繁多,被广泛应用于各个领域。其主要领域包括以下几方面。

1.工矿企业

电力电子技术在工业中的应用主要是过程控制与自动化。在过程控制中,需要对泵类和压缩机类负载进行调速,以得到更好的运行特性,满足控制的需要。自动化工厂中的机器人由伺服电动机驱动(速度和位置均可控制),而伺服电动机往往采用电力电子装置驱动才能满足需要。另外,电镀行业要用到可控整流器作为电镀槽的供电电源。电化学工业中的电解铝、电解食盐水等也需要大容量的整流电源。炼钢厂里轧钢机的调速装置运用了电力电子技术的变频技术。工矿企业中还涉及电气工艺的应用,如电焊铁、感应加热等都应用了电力电子技术。

2.家用电器

运用电力电子技术的家用电器越来越多。洗衣机、电冰箱、空调等采用了变频技术来控制电动机。电力电子技术还与信息电子技术相结合,使这些家用电器具有智能和节能的作用。如果离开了电力电子技术,这些家用电器的智能化、低电耗是无法实现的。另外,电视机、微波炉甚至电风扇也都应用电力电子技术。照明电器在家庭中大量使用;现在家庭中大量使用的“节能灯”“应急灯”“电池充电器”就采用了电力电子技术。

3.交通及运输

电力机车、地铁及城市有轨或无轨电车几乎都运用电力电子技术进行调速及控制。斩波器在这一方面得到大量的应用。在中国上海,世界上首次投入商业运作的磁悬浮列车运行系统涉及配电、驱动控制等。毫无疑问,电力电子技术在其中占有重要地位。还有像在工厂、车站短途运载货物的叉车、电梯等,也用到斩波器和变频器进行调速等控制。

4.电力系统

电力电子技术在电力系统中有许多独特的应用,例如高压直流输电(HVDC),在输电线路的送端将工频交流变为直流,在受端再将直流变回工频交流。电力电子技术和装置已开始逐渐在电力系统中起重要作用,使得利用已有的电力网输送更大容量以及功率潮流灵活可控成为可能。电力电子装置还用于太阳能发电、风力发电装置与电力系统的连接。电网功率因数补偿和谐波抑制是保证电网质量的重要手段。晶闸管投切电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)都是重要的无功补偿装置。20世纪70年代出现的静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等具有更为优越的补偿性能。此外,电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。这些装置和补偿装置的应用可进行电能质量控制、改善电网质量。

5.航空航天和军事

航天飞行器的各种电子仪器和航天生活器具都需要电源。在飞行时,为了最大限度地利用飞行器上有限的能源,就需要采用电力电子技术。即使用太阳能电池为飞行器提供能源,充分转换及节省能源是非常重要的。军事上一些武器装备也需要用到轻便、节电的电源装置,自然也就要用到电力电子技术。

6.通信

通信系统中要使用符合通信电气标准的电源和蓄电池充电器。新型的通用一次电源,是将市电直接整流,然后经过高频开关功率交换,再经过整流、滤波,最后得到48V的直流电源。在这里大量应用了功率MOSFET管,开关工作频率广泛采用100kHz。与传统的一次电源相比,其体积、质量大大减小,效率显著提高。国内已先后推出48V/20A、48V/30A、48V/50A、48V/100A、48V/200A等系列产品,以满足不同容量的需求。

7.新能源应用

风力发电中常用到三种运行方式:独立运行、联合供电方式、并网型风力发电运行方式,这些都离不开电力电子技术。并网光伏发电系统中,太阳电池方阵发出的直流电力经过逆变器变换成交流电。此外,在新能源汽车中,使用的蓄电池、太阳电池、燃料电池、高速飞轮电池、超级电容、电动机及其驱动系统、能源管理系统、电源变换装置、能量回馈系统及充电器中,电力电子技术发挥着重要的作用。

从上述例子可以看出,电力电子技术的应用已经渗透到国民经济建设和国民生活的各个领域。这些例子也说明,在工业、通信及人们日常生活等方面,所用到的电能许多并不是直接取自于市电,而是要通过电力电子装置将市电转换成符合用电设备所要求的电能形式,而这种需求促进了电力电子技术的广泛应用。事实上,一些发达国家50%以上的电能形式都是通过电力电子装置对负载供电,我国也有接近30%的电能通过电力电子装置转换。可以预见,现代工业和人民生活对电力电子技术的依赖性将越来越大,这也正是电力电子技术的研究经久不衰及快速发展的根本原因。