电力电子与电力系统：电力工程与电力电子的重要性

电力电子工程虽然可能不如其他形式的工程流行，但对我们周围的世界至关重要，尤其是在保持世界动力的系统方面。

就像我们最近在许多其他行业中所看到的那样，COVID-19展示了工程师和他们生产的技术对世界的重要性。从发电到运输和通信技术再到日常厨房用具，电力电子设备以及这些电子设备背后的工程师无处不在。 

这个简短的系列文章一直在探索电力电子技术渗透到我们日常生活中的多种方式。在本系列的最后一部分，我们将研究电力系统如何真正涵盖我们周围世界的各个方面。

 

电力系统

当我们听到“电力系统”一词时，我们可能首先想到的是市电系统，传统上将其结构化为电能的产生，传输和分配。但是，电力系统的范围远不止于此，它包括工业，购物中心，房屋，交通，航空，陆地，海洋等等。 

 

  

电动汽车是最流行的产品之一，向我们展示了集成电力电子技术对我们的日常生活有何影响。图片由替代燃料数据中心提供。

 

电力系统和电力电子领域之间的联系是牢固的。两个世界相互依赖。

电力电子技术已越来越成为电力系统的重要组成部分-改善质量，提高性能，并促进逐步实现更智能，更高效的能源。

电力电子技术以多种形式存在于电力系统中。我们将在下面详细介绍其中的一些。

 

电动机驱动器

电动机在为家庭和工业应用提供电源方面起着至关重要的作用。 

电力电子驱动器使电动机的控制成为可能，另外还有更高的系统效率和可靠性。电动机驱动器包括电动机，功率电子转换器以及可能的速度和位置传感器。

 

直流电动机驱动器

当需要以下方面的组合时，工程师可以使用直流电动机驱动器：恒定速度或转矩，自动转矩限制，恒定加速度，负载下的反向，根据机械或电气信号进行准确的速度变化以及动态制动。

这些驱动器允许直流电动机的启动，停止，速度控制和反向旋转。典型的应用是在精密生产操作（混合，输送和卷绕）的机器人（伺服质量驱动器），家用电器和其他低成本设备上的精密机床（磨床和车床）上。

最常见的转换器控制直流电动机的电枢电压和电流，并分为两大类：DC-DC和AC-DC。直流电源系统不常见；例外情况是牵引应用和电池驱动的车辆。

直流驱动器通常控制电动机的电枢电流。小数和低积分马力电动机通常为单相，而较大的电动机为三相。

 

感应（AC）电机驱动器

鼠笼式感应器是工业上最常见的电动机，主要是因为其成本低廉且结构坚固。当直接从线路额定电压运行时，感应电动机会以恒定速度紧密运行。电力电子转换器允许在需要变速和伺服驱动的应用中使用感应电动机，从而提高了能效。

 

同步（AC）电动机驱动器

传统上，速度和位置控制应用程序使用直流电动机驱动器。但是，近年来，交流同步电动机伺服驱动器在诸如外围计算机设备和机器人技术之类的应用中是常规的。

同步电动机使用多种形式的变速驱动器，例如热泵，压缩机和大型风扇。在几千瓦的应用中，通常使用永磁同步电动机，但是，当额定功率较大时，最好使用带有绕线转子的同步电动机。

 

循环转换器

在低速和大功率应用中，交流变频器控制同步电动机和感应电动机的速度。循环转换器使用由交流线路换向的受控整流器来改变交流电源的频率。这是改变频率的另一种方式，与使用整流器和逆变器的系统不同。

 

电机软起动器

用于感应电动机的恒速软起动器，可在启动时降低电动机电压，从而减少涌入电流，限制转矩并提供直至全速的缓慢加速。 

通过增加提供给电动机的电压来减少浪涌电流，从而改善了电源系统的电压曲线，延长了电动机的寿命，并避免了与感应电动机启动相关的其他典型问题。

 

储能和可再生能源

储能技术允许按需从电网获取电能，并在以后将其几乎全部返还（负荷峰-峰值）。当它们不一定重合时，该存储有助于平衡发电量和消耗量。

 

图片由Unsplash提供。 

 

在光伏，热电，热电子，燃料电池或磁流体动力学原理上运行的设备本质上是高电流，低电压的DC设备。

存储技术和可再生能源要求电力电子设备将直流电转换为稳定频率的交流电，以便以高功率水平插入电网。

随着世界不断考虑节能的重要性，我们将储能和可再生能源技术视为电力的未来。 

 

高压直流输电（HVDC）

与长距离传输大量电力以及在海底或地下电缆传输应用中相比，DC线路和电缆比三相AC便宜。AC在发电，低压配电，中短距离传输和消耗方面更具优势。

直到50年代中期，直流系统的应用才是不切实际的，当时高压汞弧阀的创新首次使直流输电在经济上具有吸引力。半导体技术的后续发展丰富了HVDC转换器的主题。

在交流发电机侧，转换器充当整流器，在通过转换器变压器升压后获得直流电。在接收端，转换器充当逆变器以获取交流电。最后，在通过转换器变压器降低电压之后，将为用户供电。

改善的瞬态稳定性和电气系统振荡的动态阻尼是两个因素，使平衡优先于直流而不是交流。HVDC传输还用于互连具有不同频率或不同步的交流电源系统。

静态无功补偿器（SVC）

静态伏安无功（VAR）补偿器可根据负载变化对无功功率进行快速控制。它们提高了交流系统之间互连的稳定性，并防止了电弧炉和其他工业负载引起的电压闪变，从而提高了电能质量。

 

有源电力滤波器

有源电力滤波器是用于提高电网系统质量和效率的设备。

当公用事业公司提供非线性负载时，谐波不应进入电力系统。第一步是改进非线性负载本身的设计，将谐波降低到安全值。当该解决方案不可行时，使用有源功率滤波器将变得切实可行。

有源功率滤波器在补偿动态谐波方面具有比LC无源滤波器更好的性能，并且不受电网阻抗和电网频率的影响。它们可以改善负载的功率因数，实施适当的控制方案。

如今，由于功率半导体器件的增强的功率处理能力，它们被广泛使用。

 

不间断电源（UPS）

通常的做法是为关键负载（计算机网络，SCADA系统，医疗设备）提供不间断电源。它们可防止断电，过压，欠压，瞬变和谐波。

其工作原理很简单。整流器将AC转换为DC，并向电池组（保持充电状态）和逆变器供电。逆变器将直流电转换回交流电并提供负载。正常情况下，整流器直接为逆变器供电。如果发生故障，则电池将为逆变器供电。这样，UPS可以隔离公用设施中的杂质，并且在停电时不会中断通往负载的潮流。

 

混合动力和电动汽车电池技术

电力电子学是电力行业管理插电式混合动力和电动汽车的基础。 

 

图片由Pixabay提供。

 

根据联合市场研究公司（Allied Market Research）的数据，2019年全球汽车市场价值为1620亿美元。到2027年，估计将增长到8020亿美元。当今电动汽车背后的电力电子技术是全球市场的推动力。 

 

推动未来技术发展

电力电子在我们的日常生活中根深蒂固，以至于人们可能不会注意到它。

电力电子部门负责转换和调节电能，使我们日常运行的设备能够正常工作。 

互联网连接，电动汽车，计算机网络，医疗设备，电网，工厂，国际空间站以及许多其他事物都蕴含着电力电子技术。

随着电力电子技术的变化，未来将是令人兴奋的，并将继续改变世界。当前的工业，能源，医药，通信和运输的全球情况正在将电力电子技术变成一项战略技术，因为它确保了我们增长的可持续性。