1、电力电子技术及其应用概论论文摘要：我们现在所处的位置大概可以定位为“世界工厂” ，但不能意味着我们就可以不顾后果地走“先污染，后治理”的发展道路，况且现在所处的环境已经不允许了。在这样的环境条件下，我们在节能减排政策的大力推行下，我们有非常大的空间去节约我们的能源优化我们的环境。而节能减排应当从每一个细节做起关键词：节能 减排 持续发展一、课程内容提要1. 首先在 20 世纪影响人类最大的工程技术评选中，电力系统高居第一位，电子电力的重要作用就引起了我们的关注。正是由于电子电力技术的发展，使得我们的各项技术都有了其基本的发展基础。电力电子技术与电子学、电力学及控制理论等三个学科联系紧密并且分为
2、信息电子技术和电力电子技术。其中电力电子技术是指利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术是由电力电子器件、交流电路和控制技术三个部分组成；主要有两大分支分别是电力电子器件制造技术和交流技术。而电路理论则是电力电子技术的核心和理论基础。电力电子技术的特点主要有：集成化、高频化、全控化、数字化。电力变换分为整流（交流变直流） ，直流斩波（直流变直流） ，交流电力控制变频、变相（交流变交流） ，逆流（直流变交流）四类；另外还有控制电路、驱动电路、缓冲电路和保护电路等辅助电路。电力电子技术的应用主要有以下几个方面：一般工业、交通运输、电力系统（高压直流输电） 、电子装置电源家用电器、新
3、型绿色能源等。电力电子技术的作用主要来说有：优化电能使用，改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业，电力电子技术高频化和变频技术的发展（变频空调） ，电力电子智能化。这些作用具体可以表现在这些方面：可以取代非常大一部分一次性能源的使用，减缓了地球能源枯竭的压力；其次精密的电子器件的应用亦使得我们的电力系统能够高效的运作，将能源的耗费降到最低；推动信息与功率的结合，从而在工业设备、电网等地方进行改革，从而推动工业的进一步发展。2. 电力以其不可比拟的优越性，而为大家所广泛利用。主要有三个方面的特点：它便于转换、便于输送、便于控制。便于转换：任何的能源都能够通过一定的方式转换成电能；便于输送：高压输
4、电减少耗能且易于分配，同样还可以以电磁波等方式传输；便于控制：数控方式，能精确反应电能需要，从而合理地调配电源，控制稳定。电路是对电力电子技术的重要基础。电路具有以下几个作用：实现能量转换和传输，信号的传递和处理，测量和储存信息。电路是有三部分组成：电源，中间环节（很多电路的构成都是在这个环节确定的）和负载。正弦交流电是现代电路输电的主要代表。其电动势随时间呈正弦变化，包含电动势最大值、角频率和初相位三个要素。电路主要由三种元件构成，分别为电阻元件、电感元件和电容元件。电感元件中电流不会突变而电压可以发生突变，且不消耗有功功率，与电源之间存在能量交换即具有储能作用（磁场能） ，应用于电磁炉等；
5、电容元件由两片金属板组成来存储电荷，使得电路中的电流可以发生突变并遏制电压的突变，它具有“通交流，隔直流”的作用，同样，电容不消耗功率，与电源之间存在着能量交换即具有储能作用（电场能） ，应用于静电喷雾等技术上；三相交流输电成为了最广泛的现代输电方式，在于它省材料，性能好，效益高。另外在电能输电方面高压直流输电与高压交流输电的对比中，我们又看到了原本被否认的直流输电又比交流输电有了更多的优越性，不排除将来仍有走直流输电的可能性。3. 半导体的本质还是载流子导电的物质，也就是说半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的物质。本征激发产生的两种载流子总是成对出现的。实际上，在自由电子空穴对产生过程
6、中还同时存在着复合过程，这就是自由电子在热骚动过程中和空穴相遇而释放能量，造成自由电子空穴对消失的过程。还有一种半导体是通过在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，称为杂质半导体，根据掺入的杂质不同又分为 P 型和 N 型两种。半导体中只有自由电子一种载流子，它在电场作用下产生定向的漂移运动，形成漂移电流。因浓度差引起载流子的定向运动称为扩散运动，其相应产生的电流称为扩散电流，大小与浓度梯度成正比。半导体技术的发展推动了二极管的产生，使其在生活上得到了广泛的应用，特别是在一些不可逆电路上，二极管发挥了巨大作用，但此时的二极管只有其原始的特征而缺乏可控性，所以无法达到控制电路的需要。我们所需要的是
7、一种可关断的器件来控制电流的流向，所以晶闸管的产生便解决了这一问题，它不断地发展，成为一种高级的电力电子器件，为电路的控制提供了技术保障。4. 整流电路就是把交流电变为直流电的电路。根据分类依据的不同可以分为多类。按照组成器件的不同，可分为不可控、半控和全控三种电路；按照电路结构的不同，可分为桥式电路和零式电路；按照交流输入相数的不同，可分为单相电路和多相电路；单拍电路和双拍电路（或单向和双向，按变压器二次侧电流的方向） 。在利用功率二极管的整流电路中，电感的容量应该足够大，而且功率二极管的特性设为理想，这个电路是不可控的。相控整流电路中可分为：单相半波可控整流电路 单相桥式全控整流电路三相半
8、波可控整流电路三相桥式全控整流电路。整流电路可为 UPS 提供技术支持，UPS 在电路阻断时起到了极大的作用。UPS的应用，使得我们可以解决突然断电的情况下，能够保证相关电器的短暂运行，使得重要的数据能够被完整的保存下来，避免一些不必要的损失。特别是在银行、电网等大型企业中，断电意味着可能造成自身或者客户的重大损失，所以 UPS 的重要性得到了认可。而它主要是由整流和逆变电路组合而成的，而电源的供应可以用两个方法，一是市电对蓄电池充电，二是由柴油机进行供电，后者得到了比较广泛的使用。通过这两个电路的组合，我们可以使电达到恒压恒频的效果。5.直流电动机系统是整流电路的主要应用之一。直流电动机主要
9、分定子与转子两个部分。其工作的机理就在于电流周围产生了磁场，而在磁场的作用下，利用安培定则计算，产生安培力，带动线圈运动，从而带动机器的运动。直流电动机系统的运用，使得很多大功率的机器能够得以比较高速地运转。与之相对应的是发电机，他是通过切割磁感线而产生感应电动势，从而产生电流。其运用的则是“右手定则” 。直流变速空调的产生，也是整流电路的又一个重要运用。直流空调的工作原理：利用物质汽化蒸发时吸收热量而实现降温。它只能通过在一定的频率下，控制空调开关，来调节室内温度，调节方式比较死板，而“变频空调”的变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，其制冷的速度
10、快，智能化节能，自行控制从而保证了舒适度。而关于市场上所推销的“直流变频空调”是不符合科学依据的，直流电本身并没有频率，更没有变频之说，所以应当警惕市场的推销，避免不必要的受骗行为。6. 逆变电路就是将直流电转化为交流电的电路。最基本的工作原理是改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流和负载电压的波形相同；阻感负载时，负载电流相位滞后于负载电压，波形也不同。它有四种换流方式分别为：器件、电网、负载、强迫换流。逆变电路亦可再分为电压逆变电路和电流逆变电路。交流电动机是逆变电路的一个主要应用。 交流电动机的调速方式较直流电动机有比较大的不同。交流电动机的变频调速是改变电源频
11、率从而使电动机的同步转速变化达到调速的目的的；同时它也有变极调速的功能，通过改变电动机定子绕组的接线，改变电动机的磁极对数，从而达到调速的目的。交流变频空调的推广使用已经引起了市场消费者的广泛关注。经过交直交的变换输入功率模块，同时功率模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可调的交变电源，使压缩机电机的转速随电源频率的变化作相应的变化，从而控制压缩机的排量，调节制冷量或制热量。其优点主要是启动电流低，低温运行性能良好，制暖性能优于传统空调，控温波动小和电网电压适应性强。7. 世界上的一次性能源在过去的两三百年里被大量开采使用，使得现在的化石能源濒临枯竭，整个世界正蕴酿着一场能源危机。在这样的
12、环境下，各国不断地去寻求绿色能源，去开发新能源。所获取的能源再通过转换形成电能供给社会建设。其中电能的转化现在还主要依靠水力和火力，而火力发电现在仍占据主要位置，不断污染严重而且消耗的仍是化石能源，其发电的结构仍然不合理。现在现有绿色能源主要有风能、地热能、核能、生物能、太阳能等。风力发电主要是通过风的作用带动风叶旋转，再通过增速机（齿轮）将旋转的速度提升，来促使发电机发电。太阳能可以说是最为丰富的能源了，如果可以利用好，相信能源问题将迎刃而解。太阳能发电系统由太阳能电池组(阵列)、太阳能控制器、蓄电池（组） 、逆变器等组成。此系统利用到了电场中的光伏效应产生“光生电流” ，从而实现了对负载的
13、功率输出。在生物能发电中，以沼气的运用比较广泛。所以在农村许多农民就利用沼气来发电，对于动物粪便可以施肥也可以用来沼气发电，不仅可以减少处理粪便的费用也不会造成环境污染。核能的发电效率非常高，核能发电只要能够控制好，就不会产生污染。其强大的转化率能够替代很多次级能源，也是中国现在发电结构改革的一个重要组成部分。正因为能源危机，所以我们节约能源应从每一件小事做起，将节能推广到生活中的每个部分。二、逆变电路原理说明电路图：负 载UdS1S2S3S4u0i0波形图：tT1T2S1S4 S1S4S2S3u0 i0逆变电路本身就是将直流转成交流的电路，它与整流电路经常混合使用，其目的就是有利于电能的多样
14、化与高效的使用，有的适合直流电，有的则适合交流电。两者混合可以得到一个恒频的电路，其电力结构比较稳定。我们这边就讨论单向桥式。工作原理：改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。就如上图所示：有两组开关分别是 S1、S4 和 S2、S3。通过其组合便形成了不同的交流电频率。电压并不会发生太大的变化，但是电流的频率便随着其关断进行波动。三、节能减排，在每一个环节在这个发展的时代里，能源的需求量越来越大。而现在的能源结构极其不合理，有百分之九十以上仍以化石能源为基础。这在很大的程度上，加大了发展所面临的能源压力。化石能源在燃烧过程中，所产生的大气污染与温室效应同样给现在的地球环境和气候造成了巨大
15、的压力，阻碍世界经济的可持续发展。我国到目前为止，对于化石能源的依赖程度越来越高，随着我国经济的进一步发展，这种压力还将持续影响我国的经济发展。从建国至今，我国从石油的出口国变为大能源进口国，一旦出现类似石油危机的情况，我国将面临着非常严峻的挑战。解决现在问题的方法有很多，但是我觉得有两个方法是非常可行的。首先就是提高能源的利用率，大幅地节约能源；其次就是大力开发可用的再生能源、绿色能源。我国现在正处在从粗放型的经济增长方式转变过程中，创造出同样份额的GDP，所造成的能源消费是日本等发达国家的好几倍。我们现在所处的位置大概可以定位为“世界工厂” ，但不能意味着我们就可以不顾后果地走“先污染，后
16、治理”的发展道路，况且现在所处的环境已经不允许了。在这样的环境条件下，我们在节能减排政策的大力推行下，我们有非常大的空间去节约我们的能源优化我们的环境。而节能减排应当从每一个细节做起。首先从节能方面讲起吧：现在的农业、工业、建筑、交通等方面都存在巨大的节能潜力。首先是农村，农村现有的生产方式还处于比较低的水平，公共设施建设仍非常的不完善，故其能源的消耗方式仍是很原始的烧炭或者材火，虽然现在天然气在农村也得到了比较大的推行，但是实际的使用效率仍不高。北方农村的供暖，每年所消耗的煤炭量也是相当惊人的，再加上其建筑本身的封闭性不是很好，所以真正用于供暖的仍是少之又少的。对于这一问题，我们可以用化石能
17、源的转化来形成电能，建立一个自动化的供暖系统，这样子能源能大量地被转化，而且大量减少了有害物质的燃烧。供暖系统能根据温度的变化来决定供能的多少，这样子可以满足不同的需要，节省了大量的能源。而且系统的开关是可控的，可以随时控制比等煤炭的熄灭时间段内还要节省一大块的能源。其次是工业，工业的能源需求占了现在能源消费的大部分。它大量地依赖于电能，而据我国目前发电情况来看，仍依赖于化石能源。这里面发电站就是一个非常关键的问题。关小上大的政策有效地推进了发电结构的改革，而且能够有效提高能源的利用率。再者就是工业设备本身的改进，对于一些高耗能企业的进行限制，迫使其对设备进行整改，使其达到预期的标准，从而提高
18、企业的生产效率，同时也节约成本，减少污染。大力推进节能 20%的宏伟目标。再者是建筑，建筑的能耗在全国能源消耗中仍占有非常大的比例。北方农村建筑的不合理，导致用于弥补这一不足的能源耗费非常庞大。针对这种情况，就必须进行合理的建筑整改以及相关的建筑规划。节能的建筑，可以节省建筑的原材料，同时能够有效地利用太阳能等资源对居室进行室温调节。而且节能建筑的密封性非常好，有利于削减无用能源的消耗比例；除了居民住房，办公楼同样的也是节能的一个重心。办公楼的设计能够很大地影响能源的使用量。大部分的办公楼很多地都使用了透光玻璃的设计，这样有利于采光采热，如果我们能够在白天进行储能的话，也就可以在夜间实现供能，
19、这样就可以减少很多的能源消耗。同样节能也在交通，汽车可以说是石油细菌。由于其占有量越来越大，交通压力也越来越大。在这种情况下就又有两种方式进行优化。第一就是混合动力汽车，在汽车本身下功夫，混合动力汽车能够充分利用太阳能进行运作，大部分时间都没有必要使用汽油，长久的看来，所节省下来的成本是相当可观的；第二就是交通结构的改变，公交车专用道的建设启用，让人民感受到公交交通的便利，大量减少汽车交通。可以大量减少汽车能耗，同时也可以实现交通的高效性。一举两得。最后就是居民的节能，包括随手的关水关电，资源的重复使用，都对节能非常有利。而且居民应当从长期的角度考虑自己的消费，实现绿色消费。最后讲讲减排。其实
20、节能可以大规模地实现减排，但在其本质上，仍是以化石能源为基础的能源消耗仍要排放大量污染物和二氧化碳。我们就从其本质上入手。温家宝总理说过要在 2020 年实现化石能源消耗量占总能源消耗的 85%，这就要求能源结构调整要向低排放、无排放调整。这就要求我们必须寻找新能源来代替化石能源，有效地降低化石能源所占的比例。这是一个电气化的时代，每一项运作几乎都必须使用电力。电力必须靠其他能源来进行提供。火力发电依赖于煤炭，但却是我国现在的最主要发电方式，所以我们的作法就是要用其他能源来代替火力发电。水力发电均于次，在我国的三级阶梯地势条件下，可以实现有效的水能利用，还有很大的开发利用空间；核能发电是现在最
21、被看好的一项发电技术，投入少产能多，而且可以说是零污染，只要控制得当，就可以非常好地服务于现代建设，它也是国家现在大力发展的方向；风能发电也是一个很有潜力的市场，我们实际利用风能发电还不足百分之一，风能发电要求条件，占用空间相对来说要大，这就要求对应的技术革新，它所产生的能量是非常可观的；热能发电，在日本可能相对来说可以得到非常大的开发，这跟自然地理环境有非常大的关系，所以可以在适当地区应用，至于推广到全局，确实有点难度；再者就是太阳能发电，太阳能发电系统的设备要求高，而且价格相对昂贵，但是它所具有的能量是最多的，而且是到处可以找到原材料的，这将吸引非常多人的目光，如果能对其进行技术的革新，降
22、低其发电成本，那将会产生非常高的利润，这也是减排的一个大方向。最后就是生物能发电了，这方面可以缓解农村的能源压力。沼气等生物能源的应用有利于农村的进一步发展，也促进了能量的再循环。以上这些新能源，都有利于从本质上实现减排，所以节能减排的每个环节都还有值得我们去挖的地方，需要我们留心。四、 课程建议我们的课堂是一个非常有效率的课堂，比较严格的课堂纪律能够保证我们认真的听讲。老师的作法尊重了每一位学生听课的权力，也使们能够在两周的校选课里面学到一些该学的东西。而且我们的课堂有相关的课外材料补充，视频影音教学，这样的课堂是比较丰富的，也比较不会让学生失去兴趣。这两个方面都是需要坚持下去的。但是我们还
23、必须看到，我们的课堂里面有很多的文科生，你跟他们在讲电路，他们可能就像在听雷一样。如果说是全校进行选课的话，这种现象应该是不会出现的，但是偏偏就面向了管理学院这样的偏文大院。即使我们理科生听起来都有点费劲，更何况是文科生呢？所以我们可以建议选课时，提供的课程详情能够让同学们认识它的性质，避免同学胡乱选课，造成课堂氛围的清淡。如果再有这样的小学期的话，还是希望老师能够给予学校相关建议，毕竟校选还是要学知识的。其次我们的课堂可能太有规律了，老师讲的东西是比较专业化的，而我们又缺乏实例去理解，所以理解起来就比较不容易。去实验室实践那是非常不现实的，但是老师可以利用一些器件做一下示范，有示范的教学更能抓住学生的眼球。像我们学理科过来，对于物理、化学、生物的实验都是比较有兴趣的，听到有实验课大家就来劲，进行示范是一个不错的教学方式，站在学生的角度，这是我比较容易接受的方式。除了示范，其实我们还可以布置适当的作业，比如说查查资料之类的东西，给大家几分钟的时间展示自己所查找到的东西，一起分享。这样子虽然会浪费一定的课堂时间，但是这样子我们会有比较高的积极性去查阅资料，知道电力电子系统相关的信息，这样就是用另一种比较开放的方式，让大家更专心地去了解这门课，去体验这门课，每个人从其中获取他们想得到的东西。
