電力電子教程

電力電子教程

電力電子是電氣工程中一個跨學科的主題，涉及電力以其電能形式的設計、控制和轉換。透過控制電路將電能轉換為電力負載的系統被稱為電力電子系統。

本教程的目的是介紹和解釋電力電子中的主要概念，包括電力半導體器件、相控換流器、直流-直流變換器、逆變器和交流-交流變換器。

電力電子導論

電力電子(PE)是一個研究領域，它處理電子及其原理在控制、調節和轉換電力方面的應用。它是電氣和電子工程中的一個跨學科課程。電力電子允許設計和開發能夠處理高功率電力的系統，這些系統被稱為電力電子系統。

第一個電力電子系統是使用水銀整流管設計的。但現代電力電子系統是使用半導體器件製造的，例如電力二極體、電力電晶體、IGBT、閘流體、UJT等。電力電子器件的功率範圍很廣，從幾十瓦到幾百瓦。

電力電子系統的型別

電力電子系統根據輸入和輸出功率的型別進行分類。電力電子系統的大致分類如下：

• 交流-直流電源轉換器 - 也稱為電源整流器。它是一種將交流電轉換為直流電的電力電子器件。
• 直流-交流電源轉換器 - 也稱為電源逆變器。電源逆變器將直流電轉換為交流電。
• 直流-直流電源轉換器 - 也稱為斬波器。它是一種將直流電從一個電壓等級轉換為另一個電壓等級的電力電子器件。
• 交流-交流電源轉換器 - 也稱為迴圈換流器。這種電力電子器件用於將交流電從一個頻率轉換為另一個頻率。

電力電子的歷史概述

下表重點介紹了電力電子領域的一些顯著發展和技術進步：

電力電子的框圖表示

典型電力電子系統的框圖如下圖所示。

它由以下主要部分組成：

• 電力來源 - 此元件為電力電子系統提供其工作所需的初始電力。它可以是交流電源或直流電源，具體取決於電力電子電路。
• 電力轉換器 - 它負責將輸入功率轉換為負載電路所需的合適形式。
• 電力負載 - 系統的這個元件消耗轉換後的功率。負載示例包括燈、電動機或其他裝置。
• 反饋電路 - 此部分監控和檢測電力負載狀況，並反饋給控制器。
• 控制器 - 它將反饋訊號與參考訊號進行比較，並在需要時發出命令以對輸入進行調整。

常見的電力電子器件

電力電子器件，也稱為電力半導體器件，是在電力電路中用於控制開關操作的電子器件。一些常見的電力電子器件列在下面：

• 電力二極體 - 電力二極體是一種電力半導體器件，可以執行電力電路的開/關切換。它廣泛用於將大功率交流電轉換為直流電，即作為電源整流器。
• 電力電晶體 - 電力電晶體用於開關和放大大功率訊號。IGBT、MOSFET、電力BJT等是常見的電力電晶體示例。
• 閘流體 - 這是一類電力電子器件，包括SCR、GTO、MCT等。這些器件通常用於電力開關和受控整流或電力轉換應用。
• TRIAC - TRIAC代表交流三極體。它是一種用於在交流系統中切換和控制功率的電力電子器件。它廣泛應用於電機調速器、調光開關等。

電力電子的優點

與前身相比，電力電子提供了許多好處。電力電子的一些主要優點列在下面：

• 電力電子提供高效的功率開關和控制。
• 電力電子系統體積小，重量輕。
• 電力電子系統採用模組化設計，易於維護和修理。
• 電力電子可以與數字技術相結合，提供靈活且受控的輸出。
• 電力電子器件的功率損耗極小，從而節省能源。
• 電力電子透過減少諧波來提高電力質量。
• 電力電子系統和器件具有動態響應和更快的瞬態控制。
• 電力電子提供高效的電力流控制，允許整合可再生能源。
• 電力電子系統配備感測器反饋，可提供故障保護。

所有這些優點使電力電子成為現代工業不可或缺的一部分。

電力電子的缺點

電力電子具有上述諸多優點，但也有一些缺點。電力電子的一些主要缺點列在此處：

• 很難調節電力電子轉換器中的電力流。
• 電力電子電路的過載能力低。
• 電力電子電路的執行功率因數低。
• 電力電子系統會在電源和負載中產生諧波，並可能影響其效能。

電力電子的挑戰

以下是設計高效電力電子系統的一些技術挑戰：

• 電力電子系統在開關過程中會產生大量的熱量，這很難消散。
• 由於高電壓和高電流應用，電力電子系統需要高水平的絕緣。
• 電力電子器件的可靠性會隨著時間的推移而下降。
• 電力電子涉及複雜的控制和邏輯設計，以開發多功能器件。

電力電子的重要性

在現代科技與創新的時代，電力電子因以下原因而發揮著重要作用：

• 電力電子提高了電力控制和轉換的效率，從而節省能源。
• 電力電子提供換流器、逆變器和控制器等器件，這些器件對於將可再生能源整合到電網中非常重要。
• 電力電子允許開發電力驅動車輛，即電動汽車（EV）。
• 電力電子還實現了工業過程的自動化。
• 電力電子幫助智慧電網有效地管理能源需求和負載平衡。
• 電力電子還在消費電子產品中發揮著至關重要的作用，提供快速充電、輕巧設計、更長的電池壽命等功能。

電力電子的應用

電力電子在各個工程領域提供通用且高效的功率開關和轉換能力。因此，電力電子應用範圍廣泛，其中一些列在下面：

• 電力電子用於工業中的電機驅動器，以控制電動機的速度。
• 電力電子技術也應用於太陽能系統、風力發電等可再生能源系統中，用於交流-直流電源轉換以進行能量儲存。
• 電動汽車中使用的電池充電器、電機速度控制、再生制動等部件都是基於電力電子原理設計的。
• 電力電子技術廣泛應用於開關電源（SMPS）、電池充電器、不間斷電源（UPS）等電源單元。

電力電子的應用還有數千種。

電力電子術語

在本節中，我們收集並定義了一些與電力電子相關的最重要術語。這些定義可以幫助讀者輕鬆理解本教程中介紹的概念。

電力轉換器

電力轉換器是一種電力電子裝置，設計用於將電力從一種形式轉換為另一種形式。一些常見的電力轉換器型別包括交流-直流轉換器、直流-交流轉換器、直流-直流轉換器和交流-交流轉換器。

直流-直流轉換器

直流-直流轉換器，也稱為斬波器，是一種電力電子電路，設計用於將直流電源從一個電壓電平轉換為另一個電壓電平。

逆變器技術

逆變器是一種電力電子裝置，可將直流電轉換為交流電。它廣泛用於UPS系統。

高壓電力

任何電壓等級大於1000伏特的電力都稱為高壓電力。它主要用於電力系統的電力傳輸和分配。

電動汽車充電

電動汽車充電或EV充電是一種電力電子技術，旨在為電動汽車使用的電池組充電。

電力管理系統

電力管理系統是基於電力電子的系統，設計用於在電網內提供電力最佳化的分配和控制。

可再生能源逆變器

可再生能源逆變器是電力電子轉換器，設計用於將可再生能源系統（如太陽能和風能）中產生的和儲存在電池中的直流電轉換為交流電，以供電給電網。

電力電子中的碳化矽（SiC）

SiC是一種半導體材料，由於其高能效和耐熱性，用於製造用於高壓和高溫應用的電力電子元件。

能源效率

在電力電子中，能源效率代表電力電路以最小損耗將電力從一種形式轉換為另一種形式並進行控制的能力。

太陽能逆變器

太陽能逆變器是一種專門設計的逆變器系統，可將太陽能電池板產生的直流電轉換為交流電，用於家庭和電網使用。

電力電子中的電機控制

電機控制是使用稱為電機控制器和驅動器的電力電子裝置控制和調節電動機速度的過程。

功率MOSFET

功率MOSFET（金氧半導體場效應電晶體）是一種功率電晶體，用於高功率應用中的快速開關和功率轉換。

電池管理系統 (BMS)

用於監控和管理逆變器、電動汽車、可再生能源系統等中使用的電池效能的電力電子系統稱為電池管理系統 (BMS)。BMS 主要負責確保電池相關安全並延長電池壽命。

脈衝寬度調製 (PWM)

脈衝寬度調製是一種數字調製技術，它涉及連續改變單個脈衝的寬度來控制它。

您將在這個電力電子教程中學習什麼？

下表列出了本電力電子教程中涵蓋的主題：

本電力電子教程適合誰？

本電力電子教程主要面向電氣和電子工程專業的學生。但是，對於以下任何人士來說，這也可以作為電力電子的非常有用的資源：

• 任何有興趣瞭解電力電子原理的人。
• 任何想了解不同轉換器和整流器如何工作的人。
• 想要了解電力電子轉換器的學生。
• 專業的電氣工程師或電力工程師等

學習電力電子的先決條件

本電力電子教程使用簡單的語言以清晰的方式解釋了基本概念。您只需要對網路理論、電機、電子學和半導體物理學中的基本概念有所瞭解，即可掌握本教程中涵蓋的概念。

關於電力電子的常見問題

在本節中，我們收集了一些與**電力電子**相關的最常見的**常見問題 (FAQ)** 及其答案。

學習電力電子的目的是什麼？

學習電力電子的主要目的是設計和開發高效、可靠、快速且具有成本效益的電子轉換器和控制器。

電力電子技術的需求量大嗎？

是的，電力電子是工程領域最熱門的領域之一；原因如下：

• 提高能源效率的需求
• 可再生能源的整合
• 電動汽車的部署越來越多
• 提高消費電子產品的效能
• 工業自動化程度越來越高，等等。

電力電子的未來是什麼？

電力電子的未來是光明的，預計到2030年，全球80%的電力生產、傳輸、分配和利用將依賴於電力電子。因此，電力電子將在未來繼續成為一個熱門且有吸引力的研究領域。

為什麼電力電子被稱為電力電子？

原因很簡單。電力電子結合了兩個不同的領域，即固態電子學和電力工程。它提供可以處理大量電力的電子裝置。

電力電子的主要任務是什麼？

電力電子的主要任務是開發有助於高效開關和轉換電力的技術和裝置。