電力電子在當(dāng)今的技術(shù)中發(fā)揮著重要作用,能源管理變得極為重要。除了安全之外,提高所有設(shè)備的效率也是保護(hù)環(huán)境的責(zé)任。
本課程將以簡(jiǎn)單易懂的方式涵蓋廣泛的主題。它將包括各種技術(shù)解釋、數(shù)學(xué)概念、圖表和電子模擬。
介紹
電流是電荷在導(dǎo)電空間中的有序運(yùn)動(dòng)和位移。
后者通常由銅、銀、鋁或金等金屬制成。
一個(gè)端子和另一個(gè)端子之間存在任何電位差都會(huì)導(dǎo)致這種運(yùn)動(dòng)(電壓)。如果電路兩端的電位相等,則電子會(huì)因熱攪動(dòng)而無(wú)序地向各個(gè)方向移動(dòng)。
在這種情況下,它們的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有熱效應(yīng),它們的行為類似于池塘中的靜水。另一方面,如果將充電電池連接在兩個(gè)極端之間,則電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)變得有序,因?yàn)樵陔娐分袝?huì)產(chǎn)生電位差。電子以極快的速度組織有序地移動(dòng)以恢復(fù)系統(tǒng)中的平衡,從負(fù)極到正極,從一個(gè)原子到另一個(gè)原子,就像管內(nèi)水的強(qiáng)制流動(dòng)一樣。按照慣例,使用電流的方向,從正極到負(fù)極。電流最重要的特性之一是通過(guò)一定時(shí)間空間的量。即在一定時(shí)間間隔內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體的電子數(shù)量。在國(guó)際體系中,電流的測(cè)量單位是安培。根據(jù)以下公式,1 A 相當(dāng)于通過(guò)大約 6.28 × 10導(dǎo)線中每秒18 個(gè)電子:
當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí),會(huì)產(chǎn)生熱量,因?yàn)槊總€(gè)導(dǎo)體都會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生一定的阻力。耗散(和未使用)的功率必須通過(guò)出色的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行處理,這些系統(tǒng)通常笨重、笨重且昂貴。了解電流安培數(shù)非常重要,因?yàn)榱魅雽?dǎo)體的安培數(shù)越多,產(chǎn)生的熱量就越多(參見(jiàn)圖 1)。您可以通過(guò)觸摸堅(jiān)固的電氣設(shè)備(例如電烤箱或洗衣機(jī))的電纜來(lái)體驗(yàn)這種加熱效果。熱量產(chǎn)生的測(cè)量使您可以適當(dāng)?shù)卮_定電線的尺寸和截面,以避免在導(dǎo)體無(wú)法承受傳輸中的電流量時(shí)過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。圖 1 顯示了兩個(gè)電導(dǎo)體。底部有幾個(gè)電子穿過(guò),它的工作溫度很低。頂部有許多電子穿過(guò),其工作溫度非常高。在這種情況下,設(shè)計(jì)人員必須立即進(jìn)行干預(yù)以修改電路或以不同方式確定連接系統(tǒng)的尺寸。
圖 1:電子在導(dǎo)體中的通過(guò)會(huì)產(chǎn)生與其數(shù)量成正比的熱量。
電力電子
電力電子系統(tǒng)的基本特征之一是它們以非常高的能量效率運(yùn)行。如果連接所有量的數(shù)學(xué)概念沒(méi)有得到很好的理解,就無(wú)法談?wù)撾娏鳌㈦妷?、功率?a target="_blank">電阻。歐姆定律將電路運(yùn)行中涉及的所有電氣參數(shù)結(jié)合在一起,因此不可能忽略作為電氣元件計(jì)算和選型基礎(chǔ)的公式。
歐姆定律是描述介入電路的基本量之間關(guān)系的公式;即電路中的電壓、電流、電阻和功率。電力電子學(xué)是通用電子學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域,研究電流大于 5-10 A 時(shí)的電流管理方法。換句話說(shuō),如果你想設(shè)計(jì)一個(gè)小型放大器來(lái)處理幾毫安的微弱電流,你不需要不需要電力電子設(shè)備。相反,如果您需要設(shè)計(jì)一種能夠提供 20 至 30A 電流的電源,那么電力電子設(shè)備就會(huì)發(fā)揮作用。
圖 2 顯示了兩個(gè)基本電氣圖。左邊的一個(gè)與 15 個(gè) LED 的照明系統(tǒng)相關(guān),通過(guò)直接連接到 230-VAC 家庭電網(wǎng)。盡管該系統(tǒng)在相當(dāng)高的電壓下運(yùn)行,但它不是電源電路,因?yàn)橹挥袔缀涟驳碾娏魍ㄟ^(guò)它。相反,右邊的電路是大功率方案,因?yàn)樗侵冈诘蛪合鹿ぷ鲿r(shí)可以提供20 A電流的電源。
圖 2:低功率(左)和高功率(右)接線圖
電力電子的概念已經(jīng)發(fā)展,如今它與與電力轉(zhuǎn)換、其控制和相對(duì)效率相關(guān)的技術(shù)相關(guān)聯(lián)。該部門(mén)還與適合能源轉(zhuǎn)換的所有電氣和電子系統(tǒng)密切相關(guān)。在電力電子中進(jìn)行的電路研究主要集中在效率上。能源是一種非常寶貴的資源,必須以盡可能最便宜的方式使用。正是由于這個(gè)原因,必須盡量減少電子設(shè)備中的散熱和功率損耗。換句話說(shuō),從設(shè)備的輸入端傳遞到輸出端的能量不應(yīng)該減少和減少。電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多,跨越不同的領(lǐng)域。DC/DC、AC/DC 和 AC/AC 轉(zhuǎn)換器、不間斷電源、電池充電器和電源只是功率因數(shù)校正和絕緣概念發(fā)揮作用的一些示例。在企業(yè)、工廠甚至家庭中,有許多設(shè)備會(huì)吸收大量能量。它們必須以最佳方式設(shè)計(jì),以確保極高的安全性和可靠性,但最重要的是,要超過(guò)政府和當(dāng)局為獲得認(rèn)證而規(guī)定的規(guī)格。電力電子的目的是節(jié)省電力,降低運(yùn)營(yíng)成本并提高電氣系統(tǒng)的安全性。它們必須以最佳方式設(shè)計(jì),以確保極高的安全性和可靠性,但最重要的是,要超過(guò)政府和當(dāng)局為獲得認(rèn)證而規(guī)定的規(guī)格。電力電子的目的是節(jié)省電力,降低運(yùn)營(yíng)成本并提高電氣系統(tǒng)的安全性。它們必須以最佳方式設(shè)計(jì),以確保極高的安全性和可靠性,但最重要的是,要超過(guò)政府和當(dāng)局為獲得認(rèn)證而規(guī)定的規(guī)格。電力電子的目的是節(jié)省電力,降低運(yùn)營(yíng)成本并提高電氣系統(tǒng)的安全性。
電路效率
在電力電子領(lǐng)域,效率為 99.9% 的設(shè)備能夠使用所有可用能源而不會(huì)造成浪費(fèi)。
另一方面,效率為 45% 的設(shè)備能夠使用發(fā)電機(jī)吸收的不到一半的功率,其余的則在未使用的熱量中損失掉。在某些應(yīng)用中,設(shè)備需要產(chǎn)生熱量,例如廚房烤箱和加熱器。在大多數(shù)應(yīng)用中,有效利用能源是一個(gè)關(guān)鍵因素。超過(guò) 95% 的效率會(huì)帶來(lái)出色的結(jié)果,但現(xiàn)代設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。電路的效率越高,浪費(fèi)的能量就越少,這會(huì)導(dǎo)致熱量散發(fā)并降低電子元件的平均壽命。為了最小化能量損失,電源電路中的電子設(shè)備和組件被用作電子開(kāi)關(guān),在開(kāi)關(guān)和高頻模式下,以最小化功耗。對(duì)于非常高功率的轉(zhuǎn)換器,可持續(xù)性。效率可以很容易地用輸出功率除以輸入功率的百分比來(lái)計(jì)算。計(jì)算電路效率的基本公式如下:
效率高,電子元件工作更好,散熱更少,可靠性和安全性更高。圖 3 中的圖表顯示了新材料如何提高器件效率。顯然,這是一個(gè)不排除對(duì)未來(lái)新發(fā)現(xiàn)的任何技術(shù)影響的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。今天的研究集中在可以減少組件體積和重量的新技術(shù)上,這是一個(gè)重要因素,尤其是在汽車、航天和醫(yī)療領(lǐng)域。未來(lái)幾年將至關(guān)重要,隨著解決方案越來(lái)越接近完美,公司當(dāng)然會(huì)采取越來(lái)越小的步驟。技術(shù)一直在尋找對(duì)電子具有最低電阻的材料。只有這樣才能獲得更高效、更可靠的系統(tǒng)。
圖 3:隨著時(shí)間的推移,逆變器的預(yù)測(cè)平均效率
結(jié)論
如引言所述,電流是有組織的電子流。對(duì)于 10-mA 和 80-A 電流,此通道是相同的。只有參與流動(dòng)的電子數(shù)量會(huì)發(fā)生變化,就像塑料管中的水一樣。然而,結(jié)果卻大相徑庭。如前所述,低電流和高電流電路之間的限制相當(dāng)窄,大約為 5-10 A。由于最近的材料技術(shù)進(jìn)步,今天的電力電子設(shè)備非常高效。GaN和 SiC毫無(wú)疑問(wèn),在提高電導(dǎo)率以及操作和開(kāi)關(guān)速度方面,都為該行業(yè)的改善做出了重大貢獻(xiàn)。與石墨烯一起,它們?yōu)槟茉聪膬?yōu)化做出了重大貢獻(xiàn)。創(chuàng)新應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,電力電子將在不久的將來(lái)發(fā)揮舉足輕重的作用。
審核編輯:湯梓紅
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