電氣科學與工程學科的回顧與展望

1、電氣科學與工程學科的回顧與展望,,,電之重要性,電是人類文明的基礎物質(zhì)條件之一“電氣化”引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命“電氣化”被美國工程院評為20世紀20項最偉大的工程技術成就之首“電氣化”被中國工程院評為20世紀我國25項重大工程技術成就之六電氣科學與工程學科與國民經(jīng)濟中具有特別重要戰(zhàn)略地位的能源領域息息相關,電氣科學與工程學科的戰(zhàn)略地位和特點,電是能量轉(zhuǎn)換的樞紐和信息的載體電是一種最便于傳輸、分配和控制，最易于實現(xiàn)與其他能量相互

2、轉(zhuǎn)換，最便于進行能量時空分布變換（時間分布：恒定、交變、脈沖；空間分布：集中、分散）的一種能量。歷史悠久而活力日增→由雷觀察到電→電和磁相互依存相互作用→19世紀麥克斯韋爾方程組交叉面廣、滲透性強→電子、信息、計算機、激光、自動控制等→電磁與物質(zhì)相互作用研究對象涉及的時空跨度大→微觀、介觀、宏觀；皮秒、納秒《國家中長期科學和技術規(guī)劃綱要》引領未來前沿技術─先進能源技術,電氣工程學科是培養(yǎng)有關電能的生產(chǎn)直至使用的全過程中，各種電氣

3、設備和系統(tǒng)的設計、制造、運行、測量和控制等方面的高層次科學研究及工程技術專門人才和高等學校師資的學科；它們共同的學科基礎是電工學?研究電磁現(xiàn)象、規(guī)律及應用的科學。,電氣工程學科的性質(zhì)與作用,電氣工程一級學科簡介,,電氣工程,電力電子與電力傳動,電力系統(tǒng)及其自動化,電機與電器,高電壓與絕緣技術,電工理論與新技術,,,,,,,,,,,,電機,電器,,,,,,,理論電工,超導技術與磁流體發(fā)電,,,電力系統(tǒng)及其自動化,電力系統(tǒng)及其自

4、動化,,電力系統(tǒng)及其自動化,鐵道牽引電氣化與自動化（部分）,船舶與海洋工程特輔裝置與系統(tǒng)（部分）,交通運輸工程學科,海洋工程學科,,,,,,電力電子與電力傳動,電力電子與電力傳動,,電力電子技術,電力傳動及其自動化（部分）,電磁測量技術及儀器（部分）,控制科學與工程學科,儀器科學與技術學科,,,,,,高電壓與絕緣技術,高電壓與絕緣技術,高電壓技術,電工材料及絕緣技術（部分）,材料科學與工程學科,,,,,,電氣工程學科的相

5、關學科,電子科學與技術計算機科學與技術控制科學與工程信息與通信工程材料科學與工程,機械工程 儀器科學與技術 動力工程與工程熱物理 交通運輸工程 農(nóng)業(yè)工程 環(huán)境科學與工程 生物醫(yī)學工程,電氣科學與工程學科的內(nèi)涵與分支,,電能科學領域發(fā)展動力示意圖,,,,,,電磁場與物質(zhì)相互作用科學領域發(fā)展動力示意圖,,,,電能產(chǎn)生與利用環(huán)節(jié)示意圖,,,,太陽能,,水力發(fā)電,,生物發(fā)電,,化石類能源,,潮汐發(fā)電,,地熱,,核能,,風力發(fā)

6、電,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電動車、混合,動力車、燃料,電池車,,航天：火箭、

7、,航天飛機、小,衛(wèi)星,,軍用: 飛機、,艦艇、坦克，,導彈,,備用電源UPS,,民用電器：筆,記本電腦、手,機、數(shù)碼相機,,通信設備,,海洋溫差發(fā)電,,氫能燃料電池,,電能存,儲設備,：各種,電池、,超級電,容、機,械飛輪,等,,電站、,大容量,電能存,儲設備,,,,,,,,,,,,電能存儲設備的,監(jiān)控與管理技術,,,,,,,,,,,,氣候變化對中國的影響與挑戰(zhàn)Impacts and challenges of climate ch

8、ange on China,,最近二百年氣候變化的事實與預估Facts & predictions of climate change in the past 200 years,資料來源：中國氣象局；AR4,近百年中國平均溫度變化情況,資料來源: 中國氣象局Data source: China Meteorological Administration,天山烏魯木齊河源1號冰川變化情況,資料來源:秦大河，2002,1994

9、,1986,1980,1973,1962,小冰期后期以來的變化,1962年以來連續(xù)退縮情況,,斷開Disconnection,《中國應對氣候變化國家方案》China’s National Climate Change Programme,2007年5月30日國務院發(fā)布Issued by the State Council on May 30,2007.《國家方案》明確了到2010年中國應對氣候變化的具體目標、基本原則、重點領域及

10、其政策措施。Outlining objectives, basic principles, key areas of actions, as well as policies and measures to address climate change for the period up to 2010.這是中國第一部應對氣候變化的全面的政策性文件，也是發(fā)展中國家頒布的第一部應對氣候變化的國家方案。 China’s first c

11、omprehensive policy document on response to climate change, also the first national climate change programme in developing countries.,《中國應對氣候變化科技專項行動》,2004年6月14日，科技部聯(lián)合發(fā)改委、外交部等14個部門聯(lián)合發(fā)布Issued by MOST and other government

12、al agencies on June 14, 2004.制定《專項行動》的目的： Purposes有效落實《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的重點任務Effective implementation of the key tasks in the Outline of the National Program for Medium- and Long-term Science and Technology Development

13、 《中國應對氣候變化國家方案》的實施提供科技支撐，To provide S&T support to the implementation of the CNCCP Program統(tǒng)籌協(xié)調(diào)我國氣候變化的科學研究與技術開發(fā)，全面提高國家應對氣候變化的科技能力提出了具體目標，明確了重點任務Outlining concrete objectives and key tasks,,“八五”以來，科技部通過國家科技計劃先后組織

14、開展了一系列與氣候變化有關的科技項目Ever since the ‘8th 5-year’, MOST have supported a series of s&t programs on climate change“十五”和“十一五”期間，各科技計劃應對氣候變化投入大幅增加During the ’10th 5-year’ and ’11th 5-year’ periods, financial support for

15、R&D on climate change increase sharply,應對氣候變化科技投入不斷增加Increasing financial support for R&D to address climate change,國家各科技計劃應對氣候變化經(jīng)費投入Financial input （億元),,《節(jié)能減排綜合性工作方案》The General Work Plan for Energy Conservat

16、ion and Pollutant Discharge Reduction,2007年5月23日國務院發(fā)布；Issued by the state council on May 23, 2007主要目標 Main objectives到2010年，萬元GDP能耗降低20%左右；單位工業(yè)增加值用水量降低30%；城市污水處理率不低于70%，工業(yè)固體廢物綜合利用率達到60%以上。“十一五”期間，主要污染物排放總量減少10%主要措施

17、Main measures控制高耗能、高污染行業(yè)過快增長 加快淘汰落后生產(chǎn)能力積極推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整……,,中國應對氣候變化國家方案,,,,《聯(lián)合國氣候變化框架公約》,電力電子技術的定義,以電力為對象的電子技術稱作電力電子技術 (Power Electronics)。它是一門利用電力電子器件對電能進行控制、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膶W科,也是現(xiàn)代電子學的一個主要分支。 微電子技術 信息處理技術電力電子

18、技術 電力處理技術,,,電力電子技術與其他學科的關系,電力電子技術是電力、電子、控制三大工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發(fā)展, 電力電子技術與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電子技術、電力系統(tǒng)、計算機科學等許多領域密切相關。目前, 電力電子技術已逐漸發(fā)展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。,電力電子器件變 流 電 路控 制 電 路,,電力電子技術,電力電子技術的組成,電力電子與電力傳動學科

19、的地位與作用,電力電子與電力傳動是一個與電能的變換、控制、輸送、存貯密切相關的應用基礎學科；它是結(jié)合電能變換、電磁學、自動控制、微電子及電子信息、計算機等學科的新成就而迅速發(fā)展起來的交叉學科；在現(xiàn)代工業(yè)體系中，它既是電能工業(yè)與用電工業(yè)間的接口，對電能進行有效的變換與控制；又是信息計算機控制與用電工業(yè)間的接口，為現(xiàn)代工業(yè)中各種功率負載和執(zhí)行機構(gòu)提供高質(zhì)量的智能化的功率源；本學科既涉及各種大功率的能量變換和控制，又涉及到各種最新的自動

20、控制技術、電子信息科學中的檢測技術、信息處理技術、計算機技術和電力電子與電力傳動工業(yè)應用新技術；本學科無論是對改造國民經(jīng)濟中的有關產(chǎn)業(yè)或?qū)F(xiàn)代化新興產(chǎn)業(yè)均具有十分重要的作用。,電力電子技術面臨的挑戰(zhàn),目前，人類所處的地球面臨著“能源危機、資源危機和環(huán)境危機”的威脅；作為電子學的一個重要分支，同物質(zhì)生產(chǎn)過程息息相關，以功率處理為對象的電力電子學，將成為緩解或克服這三大危機的主要技術手段之一；新理論、新材料、新技術的不斷涌現(xiàn)，推動

21、著工業(yè)發(fā)達地區(qū)電力電子學及其應用的迅速發(fā)展，以實現(xiàn)“高效率、高品質(zhì)”用電的目標，并將促進取之不盡用之不竭的可再生能源（太陽能、風能、潮汐能、地熱能）和新能源（燃料電池等）的廣泛利用；知識經(jīng)濟得以在潔凈的藍天下蓬勃發(fā)展。,中國能源背景,巨大的電力缺口與人們對電力的強烈需求之間的矛盾越來越明顯 ！,1999 年底全國總裝機容量 2.9×106MW,2010 年的電力需求量5.4×106MW,2.5×106

22、MW 的電力缺口,？,,,我國常規(guī)能源資源的有限性和環(huán)保的巨大壓力,節(jié)能,可再生能源,電力電子與電力傳動,現(xiàn)代電力電子技術核心要素,現(xiàn)代電力電子技術,現(xiàn)代電力電子技術,現(xiàn)代電力電子技術,現(xiàn)代電力電子技術,電力電子與電力傳動學科的研究范圍,電力電子器件的原理、制造及其應用技術電源系統(tǒng)及其應用技術電力傳動自動控制電力電子系統(tǒng)的運行與控制電力電子裝置與電力傳動系統(tǒng)的故障診斷技術電磁兼容技術電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用電力電

23、子裝置與系統(tǒng)的建模、仿真與分析電力牽引傳動技術運動控制現(xiàn)代科學新成就（新材料、新器件、數(shù)學新理論、新方法、現(xiàn)代控 制理論、智能控制理論等）在電力電子與電力傳動中的應用。,不控和半控器件?電流全控器件?電壓全控器件?功率集成電路器件的體積減小了3到4個數(shù)量級；大功率管的開關時間從毫秒級降到了微秒級；低功率時甚至達到了納秒級；工作頻率從50Hz增加到兆赫級；變流器的功率水平從微伏安提高到幾百兆伏安；,背景,高效率利用電能；

24、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) （電力，機械，化工，冶金，汽車等）；發(fā)展高新技術 （航空航天，激光，通信，機器人等）； 環(huán)境保護 （可再生能源發(fā)電，污水處理，除塵等）；意義重大，需求巨大！電力電子與電力傳動應用技術發(fā)展迅速！我們面臨技術和國際市場競爭的挑戰(zhàn)和機遇！,背景,背景電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術電力電子系統(tǒng)集成技術結(jié)束語,內(nèi)容導航,電力電子器件的發(fā)展歷史,電力電子器件的新進展

25、,SCR 長壽性(生命周期長)； 電力電子器件 滲透性(廣闊應用領域)； GTO 派生性(派生出相關新器件家族)；

26、 IGBT 電力電子器件的壽命周期,,,,,電力電子器件“樹”,電力電子器件新的發(fā)展趨勢,電力電子器件的功率頻率乘積 (f?P)：109 --- 1010 W?Hz,,新的器件結(jié)構(gòu)新的器件材料,發(fā)展趨勢,基于Si的器件已經(jīng)趨

27、于材料特性的極限,超級級 (Super Junction)，浮動結(jié) (Floating Junction) 優(yōu)點：降低導通損耗， 開關損耗，提高驅(qū)動性能舉例：MDmesh : Multiple-Drain Mesh, ST公司CoolMOS: Infineon公司研究中的 LDD MOSFET,新的器件結(jié)構(gòu),CoolMosTM (Infineon)采用Super-Junction概念減小導通電阻降低門極電荷,,MDmes

28、hTM (ST) MOSFET更小的導通電阻，減小4倍更小的門極電荷,,,新的器件材料：SiC,SiC Schottky Barrier Diodes (SBDs) 肖特基,SiC MOSFET,1500 V SiC MOSFET Rdson*S=25 mΩ*cm2 ==約1/25 硅 MOSFET,,SiC JFET,在阻斷電壓為 3.5 kV時導通電阻僅為25mΩ*cm2 ，小于600V的CoolMOS。電流密度可達100

29、 A/cm2.,,背景電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術電力電子系統(tǒng)集成技術結(jié)束語,內(nèi)容導航,電力電子技術在可再生能源和分布式發(fā)電系統(tǒng)有30億美元的市場份額，增長迅速。,,對電力需求的日益增加和大量的能源消耗，大量火電廠的建造，使得CO2等有害氣體大量排放，環(huán)境惡化。 我國目前以煤為主的能源方案，預計2020年，我國的二氧化碳排放量就可能超過美國，成為世界上第一排放國。

30、解決方法： 擴大再生能源的應用比例：清潔能源 包括：小水電，風能，光伏發(fā)電，生物質(zhì)能，地熱發(fā)電等 節(jié)能技術：減小能源消耗 電力電子技術是可再生能源廣泛應用的核心技術，前景廣闊，市場巨大。,可再生能源 (RE),電力電子技術是未來電能系統(tǒng)的關鍵技術,可再生能源 (RE)發(fā)電,利用可再生能源發(fā)電系統(tǒng)示意圖,儲能系統(tǒng)與變流技術的關系示意圖,風能：全球年增長率超過30％,AC-DC-AC 方式,AC-AC 方式,可再生能

31、源 (RE)-風力發(fā)電,,風能發(fā)電模型,900KW風能發(fā)電機,可再生能源 (RE)-風力發(fā)電,一個有儲能系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖,2002年，有400MW的光伏電池模塊進入市場。主要應用缺點： 成本高 效率不高 在家庭分布式發(fā)電系統(tǒng)中有廣闊的應用前景。,可再生能源 (RE)-光伏發(fā)電,,典型的家庭太陽能能源系統(tǒng)：對電力電子技術的要求： 成本 效率 可靠性 安全 性能 可制造性 可維護性,可再生能

32、源 (RE)-光伏發(fā)電,優(yōu)點：提高電網(wǎng)可靠性，減少遠距離輸電，促進可再生能源的應用,固體氧化物燃料電池和小型高速渦輪發(fā)電機組成的混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,ABB MT100 microturbine.,分布式發(fā)電系統(tǒng)（DG）,分布式發(fā)電系統(tǒng)（DG）,,風能,混合微型渦輪機,微型渦輪機(10-200kW),小型渦輪機(1-100MW),成本下降應用加速,燃料電池,,未來混合發(fā)電系統(tǒng)示意圖,分布式與混合式發(fā)電系統(tǒng)需要大量的電力電子技術

33、 包括：逆變器，頻率變流器，靜態(tài)傳輸開關，DC-DC 變流器，AC-DC變流器等。2003-2008年，預計年平均增長率12.2％混合式發(fā)發(fā)電技術的發(fā)展，促使電力電子的標準化、模塊化和智能化。,,從用電的角度：節(jié)電；從輸配電的角度：提高電網(wǎng)質(zhì)量,,電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用,電能質(zhì)量控制,柔性輸電(FACTS)技術,電能質(zhì)量控制,用于電壓調(diào)節(jié)、移相和諧波隔離的串補系統(tǒng)示意圖,電能質(zhì)量控制,背景電力電子器件可再生能源、分

34、布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機驅(qū)動綠色照明技術電力電子系統(tǒng)集成技術結(jié)束語,內(nèi)容導航,能源消耗圖,,,目前采用逆變器調(diào)速的比例<10%北美變頻器年增長將達到11.5％電力電子調(diào)速裝置市場十分巨大,,電動汽車,機車牽引,鐵路電氣化：交流傳動為特征,,牽引和電機驅(qū)動中的電力電子技術通用場合的電力傳動技術趨于成熟高壓大功率電機驅(qū)動技術變流技術（多電平變流器，多電平級聯(lián)技術，矩陣變流器等）控制技術降低成本,,背景

35、電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術電力電子系統(tǒng)集成技術結(jié)束語,內(nèi)容導航,,高效率電光源（熒光燈，HID燈等），對電子整流器 (Ballast) 需求旺盛固態(tài)照明技術，高流明發(fā)光二極管 (HBLED) 是一個重要發(fā)展領域,,背景電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術電力電子系統(tǒng)集成技術結(jié)束語,內(nèi)容導航,電力電子技術現(xiàn)狀基于分離元

36、件基礎上，自動化程度低按照用戶和用途要求進行特殊設計，開發(fā)周期長大量采用非標元件，成本高成本高，開發(fā)周期長，自動化程度低（勞動密集）可靠性差，功率密度低限制電力電子技術在應用領域的推廣,,,,外部對電力電子技術的需求降低成本改善性能提高功率密度提高可靠性提高可制造性，提高自動化程度電力電子系統(tǒng)集成技術本世紀電力電子技術方向性發(fā)展趨勢,,,電力電子系統(tǒng)集成概念,摩爾定律（Moore’s Law）標準化

37、(standardization)模塊化 (Modularization)集成化 (Integration)可制造性 (Manufacturability)大量生產(chǎn) (Volume Production)降低成本 (Cost Reduction),功率處理標準模塊,信號處理,,電力電子系統(tǒng)集成技術,電力電子系統(tǒng)集成技術,電力電子系統(tǒng)集成：類似于微電子的大規(guī)模集成電路 (VLSI) 和機械制造領域的 SIMS 系統(tǒng)集成，對電力

38、電子技術進行標準化和模塊化。兩個層次的集成： 模塊級： 建立電力電子集成標準模塊 系統(tǒng)級： 基于標準模塊，根據(jù)系統(tǒng)集成理論，集成實際電力電子應用系統(tǒng),電力電子系統(tǒng)集成技術,電力電子標準模塊,技術要點：拓撲優(yōu)選，無源器件集成技術，封裝技術，控制技術，熱設計，電磁兼容，標準化接口等。,電力電子智能標準模塊示意圖,采用多芯片封裝技術實現(xiàn)智能標準模塊示意圖,,電力電子系統(tǒng)集成技術,電力電子系統(tǒng)集成

39、技術,,電力電子應用系統(tǒng)集成,,基于電力電子標準模塊的應用系統(tǒng)集成模型,電力電子應用系統(tǒng)示意圖,技術要點：系統(tǒng)集成理論（串聯(lián)、并聯(lián)技術，系統(tǒng)建模和仿真，EMC設計）,電力電子系統(tǒng)集成技術,產(chǎn)品指標設計,自動化生產(chǎn)組裝,各類標準模塊,,實際應用系統(tǒng),,,期望中的電源工業(yè),21世紀電力電子與電力傳動技術將在建設一個更美麗、更環(huán)保、更適合人類生活的地球中，發(fā)揮其不可替代的作用； 電力電子與電力傳動技術的飛速發(fā)展，知識經(jīng)濟將逐步

40、替代工業(yè)經(jīng)濟的趨勢，為我國在該領域的科技工作者和實業(yè)家們提出了挑戰(zhàn)和提供了機遇； 我們必需迎接挑戰(zhàn)、抓住機遇，為我國電力電子與電力傳動技術趕上世界先進水平，為我國知識經(jīng)濟的騰飛作出貢獻！,結(jié)束語,90年代我國電力電子技術發(fā)展概況,我國電力電子器件及應用的研究開發(fā)已有40年歷史。改革開放以來得到蓬勃發(fā)展；1988年初—1989年秋，國家科委組織國內(nèi)專家完成“電力電子技術發(fā)展戰(zhàn)略”的軟科學研究，為90年代我國電力電子技術的迅

41、猛發(fā)展和廣泛應用莫定了基礎；1989年6月—1991年3月，國家自然科學基金會(NSFC)組織國內(nèi)電工界專家完成“電工學科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)查研究報告”，包括電力電子學及其應用，為90年代我國電力電子學科的建設和發(fā)展做出規(guī)劃，并為政府決策和研究人員從事應用基礎研究提供科學咨詢；,90年代我國電力電子技術發(fā)展概況,1991年6月，國家科委委托機械電子部機械科學研究院進行跟蹤性電力電子技術政策的軟科學研究，并于1993年初完成咨詢報告，針對不久將

42、恢復我國GATT締約國地位、進入WTO所面臨的形勢，提出進一步推動我國電力電子技術發(fā)展的對策和政策建議；這三項軟科學研究對90年代我國電力電子技術的發(fā)展起了積極的推動和指導作用，為政府下決心組織“八五”和“九五”電力電子重點科技攻關規(guī)劃提供決策依據(jù)。,90年代我國電力電子技術發(fā)展概況,國家在“八五”(1991-1995年)重點科技攻關計劃中首次將電力電子技術立項，總投資5808萬元，其中新型器件研制的投資約占60％，應用技術研究的投

43、資約占40%；取得一批研制開發(fā)成果，包括新型全控器件樣管，如：1000V／50A IGBT、1000V／100A SITH、800V／10A SIT、900V／10A MCT，各種規(guī)格VDMOS管等完成設計或生產(chǎn)定型；應用技術的研究成果則有：GTO變頻調(diào)速(630kVA)和斬波調(diào)速(1200kW)，SIT高頻感應加熱裝置(10kW、400kHz，200kw、200kHz)，高頻電子鎮(zhèn)流器(40W、50kHz)和高頻開關電源的研制等。

44、,90年代我國電力電子技術發(fā)展概況,“八五”電力電子計劃的完成增強了我國技術實力和國力，在減輕能源緊張、提高鐵路和城市交通運輸能力、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、加快軍工裝備現(xiàn)代化進程方面起了重要作用；我國已能研制或生產(chǎn)： ? 城市地鐵IGBT斬波裝置； ? 2000kVA電力機車GTO變流裝置； ? 50kVA電牽引用智能IGBT模塊； ? 近百個模塊并聯(lián)的大功率通信開關電源；

45、 ? 船艇、航空電源及火箭、衛(wèi)星的二次電源； ? 40kW諧振型脈沖激光電源； ? 300kVAR靜止同步補償器(STATCOM)等； ? 磁懸浮電牽引概念車也已研制成功。,10年來我國電機調(diào)速技術與應用發(fā)展現(xiàn)狀,我國已經(jīng)生產(chǎn)了幾千萬千瓦晶閘管直流傳動裝置，武 裝了從軋機到電氣機車的電力傳動設備, 制造技術和生產(chǎn)工藝均已過關；80年代后期我國陸續(xù)引進了10套單臺325

46、0kW到9000kW、總?cè)萘?萬kW的晶閘管交-交變頻裝置，先后完成了1250kVA、2500kVA、2x1400kVA、5000kVA交-交變頻器的設計、制造、調(diào)試。運行過程中對電網(wǎng)注入嚴重的諧波和畸變無功功率，有待進一步治理； 90年代初期，在引進多套2600kVA晶閘管交-直-交電流型變頻調(diào)速裝置基礎上，現(xiàn)已掌握了設計造技術，生產(chǎn)了多套晶閘管交直交電流型變頻裝置。而進口設備在運行兩年后卻發(fā)生電機損壞事故，檢查表明，諧波與電

47、應力造成絕緣擊穿、軸電流燒蝕軸承；,GTO交—直—交電壓型PWM變頻調(diào)速裝置在寶鋼引進的大型軋機以及發(fā)電廠和煉鋼爐的巨型鼓風機中的應用業(yè)已成熟。北京地鐵直流電機GTO斬波調(diào)速裝置在試運行。國內(nèi)已試制成功美國羅賓康公司于1993年開發(fā)的IGBT多電平、級聯(lián)式、積木化變頻調(diào)速裝置(綠色變頻器)，并通過工業(yè)試驗，有所創(chuàng)新、突破。這是一種代表發(fā)展方向的高電壓、大功率變頻器，電網(wǎng)和電機兩側(cè)諧波均可達標，功率因數(shù)達到0.95以上，進而使電應力降到

48、最低，大大延長了用電負載(包括電動機)的工作壽命。,10年來我國電機調(diào)速技術與應用發(fā)展現(xiàn)狀,我國已掌握的現(xiàn)代電力電子技術,矢量控制技術 軟開關變換技術 功率因數(shù)校正技術 GTO及IGBT的應用基礎技術 并聯(lián)均流技術 智能控制技術 諧波治理技術同步整流技術 分布電源系統(tǒng)及其遠方監(jiān)控技術 智能化高頻開關電源技術 l0MHz磁薄膜技術 270F超容電容技術,電力電子與電力傳動國家工程研究中心,北京電力電

49、子新技術研究開發(fā)中心；株州變流技術國家工程研究中心；西安電力電子技術國家工程研究中心；杭州應用電力電子技術國家工程研究中心；天津電氣控制與傳動系統(tǒng)國家工程研究中心。 這些國家工程研究中心的陸續(xù)建成，極大地提高了我國電力電子技術的科學研究、開發(fā)和應用的水平。,國家自然科學基金會(NSFC)對電工學科前沿課題的研究資助,測定GTO最大陽極電流機理與方法； 電機車單相APF控制策略； 電力電子電路及系統(tǒng)通用仿真軟件包；

50、 專家系統(tǒng)實現(xiàn)電力傳動智能控制； 電力電子電路故障自診斷； 單神經(jīng)元控制； PWM開關變換器的最優(yōu)控制模型； 諧振變換器的最優(yōu)設計建模； 開關變換器的時間平均等效電路模型; 離散時域仿真模型及廣義狀態(tài)平均模型。,電力電子與電力傳動學術活動,International Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC’94) , BeijingInternati

51、onal Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC’97) , HangzhouInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC’2000) , BeijingInternational Power Electronics & Motion Control Confe

52、rence(IPEMC’2004) , Xian國內(nèi)各個國家學會也經(jīng)常舉行全國性的電力電子、電氣傳動和電子電源技術的學術研討會；相關期刊的發(fā)行促進了國內(nèi)學術交流，在活躍學術研究氣氛、推廣應用研究成果方面起到了積極作用。,國家重大關鍵技術對電力電子技術的支持,IGBT產(chǎn)業(yè)化技術及其應用； 高頻開關電源系列； 風力發(fā)電技術； 高溫地熱發(fā)電技術； FACTS的關鍵技術與設備； 高壓直流輸電技術及設備； 電網(wǎng)控制關鍵技術； 鐵

53、路提速關鍵技術； 高效節(jié)能電爐與裝備技術； 節(jié)能最佳化大型選礦技術裝備； 建筑節(jié)能技術及產(chǎn)品； 家用電器節(jié)能技術及船用設備關鍵技術。掌握這些重大關鍵技術是2010年前我國電力電子技術的 發(fā)展遠景目標。,國際電力電子技術的發(fā)展和進步,電力電子器件的發(fā)展過程，經(jīng)歷了不控和半控器件、電流全控器件、電壓全控器件和功率集成電路(Power IC)等若干階段；80年代末期，不少國際電力電子專家認為：電力電子器件的發(fā)展方向是高頻化，大

54、功率化和易于驅(qū)動(使用)；到2000年，各種電力電子器件的使用頻率將提高一個數(shù)量級，例如：功率MOSFET的頻率(以kHz計，下同)從102提高到103，IGBT則從l0提高到100；器件功率也將有所提高，例如：IGBT的功率(以MVA計，下同)從0.1提高到1，GTO則從10以下提高到l0。,國際電力電子技術的發(fā)展和進步,10年前國際電力電子界專家們預測：90年代電力電子裝置的發(fā)展方向是小型輕量化，高精度快速響應，并進一步系統(tǒng)化；

55、2000年，以下幾方面已由計劃變?yōu)楝F(xiàn)實； 新型電力補償器； 無直流環(huán)節(jié)的變頻器； 應用自關斷器件的高壓直流輸電裝置； 磁懸浮運載工具； 超導磁鐵儲能； 卡片式開關電源； 高頻鏈UPS； 自動駕駛的電動汽車。,電力電子技術與知識經(jīng)濟,人們認為21世紀的經(jīng)濟將發(fā)生巨大變革，富有生命力的、新型的“知識經(jīng)濟”促進和改造傳統(tǒng)的工業(yè)經(jīng)濟，對世

56、界經(jīng)濟的發(fā)展將有很大推動力； 知識經(jīng)濟(Knowledge based economy)的主要特征表現(xiàn)為：高新技術推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和信息技術的廣泛應用；電力電子技術與微電子技術的結(jié)合已成為當今技術發(fā)展的主流；物質(zhì)生產(chǎn)可歸結(jié)為把能源流作用到物料流，得到所需要的形狀、尺寸或性質(zhì)；現(xiàn)代化的物質(zhì)生產(chǎn)，將是信息流、能源流同物料流的匯合，電力電子位于這三流匯合處，具體體現(xiàn)為“信息控制、電網(wǎng)供電和生產(chǎn)機械”的接口；,電力電子技術與知識經(jīng)濟

57、,這些數(shù)據(jù)表明，我們應當從全球經(jīng)濟競爭來考慮一個國家的電力電子技術的發(fā)展；30多年前人們認為，電力電子學是從電氣工程(EE)中3大學科領域(電力、控制、電子)發(fā)展起來的一門新型邊緣學科；隨著時間的推移和科學技術的進步，人們已意識到，僅僅3個學科領域已不能概括作為高新邊緣學科——電力電子學的全部相鄰學科；新型電力電子器件的制造已廣泛應用VLSI；通過電力電子器件和系統(tǒng)的集中監(jiān)控可以實現(xiàn)“弱電”控制“強電”；,電力電子技術與知識經(jīng)濟

58、,電力電子是一種知識密集型、以高新科技知識為基礎的技術，如果缺乏對電力電子國際科技前沿動態(tài)的了解，將使國家失去國際市場的競爭力，失去知識經(jīng)濟帶來的新機遇； 據(jù)1998年日本電氣學會專家預測，到1999年電力電子器件的世界市場為95億美元，比1995年增加21億美元，平均年增長15％；Microtech1996年估計，電力電子設備的世界市場為300億美元。能源電子產(chǎn)品(包括電力電子裝置、電容器和電池)的日本市場規(guī)模約為200億美元

59、；據(jù)美國Virginia電力電子中心(VPEC)報道，電力電子市場有300億美元直接產(chǎn)品銷售，并支持5700億美元電子工業(yè)；,電力電子技術與知識經(jīng)濟,與現(xiàn)代電力電子學相關的學科更加廣泛, 包括：基礎理論(固體物理、電磁學、電路理論)、專業(yè)理論(電力系統(tǒng)、電子學、系統(tǒng)與控制、電機學及電傳動、通信理論、信號處理、微電子技術) 以及專門技術(電磁測量、計算機仿真、CAD)等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學、熱設計、封裝、CAD集成、制造

60、、電力及電工應用等；知識經(jīng)濟時代，迫切需要跨學科、應用多種專業(yè)技術進行聯(lián)合研究，才能推動電力電子學科的發(fā)展；多學科合作研究的學術領域包括：節(jié)能技術，可再生能源和新能源(風力發(fā)電、太陽能電池、燃料電池等)的開發(fā)利用，高質(zhì)量的可靠能源研究，大氣環(huán)境保護，新材料與新器件的開發(fā)與應用，微電子技術等；,電力電子技術與知識經(jīng)濟,跨學科聯(lián)合研究的另一個例子是：國際著名電力電子界資深專家原田耕介，根據(jù)90年代能源系統(tǒng)發(fā)展對電力電子技術的要求，將電力

61、電子學擴展為能源電子學，并在日本熊本工業(yè)大學創(chuàng)立了國際獨一無二的能源電子研究所；面對新的世紀，我國若要加速從工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)變?yōu)橹R經(jīng)濟，大力發(fā)展電力電子學，開展跨學科聯(lián)合研究是非常重要的。,電力電子基本理論的新發(fā)展,電力電子的新進展給傳統(tǒng)的電工學科注入了新的活力。電力電子新技術將滲透到傳統(tǒng)電工學科的許多分支，對傳統(tǒng)電工理論提出許多新的挑戰(zhàn)；強電—弱電融合的時代已經(jīng)到來；電工理論正在并將進一步活躍起來，主要表現(xiàn)在以下幾方面；電力電子

62、器件是以開關方式運行的非線性元件，傳統(tǒng)的集中參數(shù)、線性電路理論遠遠滿足不了分析電力電子線路行為的需要。電力電子學的發(fā)展迫切要求建立非線性電路理論，并解決分布參數(shù)問題。,電力電子基本理論的新發(fā)展,電力電子產(chǎn)品多數(shù)都是諧波源，給電網(wǎng)和電機帶來大量嚴重的諧波問題，除產(chǎn)生大家熟知的相移無功之外，又大量增添了畸變無功。另一方面，電力電子同微電子相結(jié)合又提供了有源(無功)補償和有源(諧波)濾波的新技術手段，成為治理電網(wǎng)污染、改善電力品質(zhì)的得力措施。

63、過去電工理論中“場路分家”研究是普遍的，電力電子技術向高頻、大功率方向的發(fā)展，分布參數(shù)問題日顯重要，這給“場路結(jié)合”的新理論提出了許多新課題。例如，工作頻率在20kHz時，電力電子裝置中的全部引線寄生電感應小于30nH，否則將對裝置或電機帶來很強的電應力，危及它們的工作壽命。而任何直圓導線的電感約為7．5nH/dm，由此提出了功率無感母線的新概念與新產(chǎn)品，在此基礎上才能對這種高頻化大功率變換裝置進行優(yōu)化設計。,電力電子基本理論的新發(fā)展

64、,交流電機調(diào)速系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合的機電系統(tǒng)，為了對它進行分析和設計，需要進一步應用和發(fā)展已有的非線性控制理論。 電力電子開關電路中常常發(fā)生重復性的瞬態(tài)過程，它不同于常規(guī)電路中的過渡過程分析，需要做精細的計算分析，并借助計算機仿真和最優(yōu)設計方法。 未來，節(jié)能效果更好、使用更方便的變頻線路拓撲，可能是無直流環(huán)節(jié)交—交矩陣式變頻器，它有可能在很大程度上替代現(xiàn)在普遍采用的交—直—交變頻系統(tǒng)。這里也會提出許多新問題。,電力電子

65、基本理論的新發(fā)展,電工學科傳統(tǒng)的研究內(nèi)容是直流電以及工頻、三相、正弦波交流電，主要是電流、電壓的變化規(guī)律，對頻率、相位、相數(shù)、波形等參數(shù)的研究常常是不充分的。目前電工理論和實踐多集中在單相和三相系統(tǒng)，現(xiàn)代電力電子技術的崛起，將對電能的上述幾大參數(shù)進行綜合調(diào)控。特別使超過三相的多相電機、多相變換系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能，相應的工作原理、設計理論及其帶來的效益將引起廣泛的興趣和注意。電力電子新技術還在呼喚一系列新的電工材料的出現(xiàn)，諸如制作新器件

66、的新型半導體材料 (如碳化硅等寬禁帶半導體材料)；高“磁能積”的永磁材料(如釹鐵硼)和低磁損耗、可以工作到幾十千赫的非晶態(tài)與超微晶磁材料；氮化鋁、金剛石等具有高導熱、高絕緣性能的材料。,電力電子基本理論的新發(fā)展,在大量涉及非正弦量的條件下，一大批原來只適合測量正弦量的電工測試儀表需要更新?lián)Q代。電力電子控制的應用使電機設計制造發(fā)生了根本的變化，電機與電力電子電路緊密相關的新型集成化、電子化、智能電機正在登上歷史舞臺，這也提出了智能電機從

67、原理、設計到應用的眾多課題。,電力電子與綠色能源,電力電子技術是高效節(jié)能技術，廣泛應用可以減少社會對發(fā)電增長的需求；發(fā)展電動車逐步代替汽車，是電力電子的重大課題之一；火力發(fā)電(燃煤或燃油和汽車尾氣是造成大氣環(huán)境破壞的兩大重要污染源）；大力發(fā)展和應用電力電子節(jié)能技術，對大氣環(huán)境保護有積極作用；作為綠色技術的電力電子還涉及到電網(wǎng)環(huán)境保護和電磁環(huán)境保護等問題。,用電節(jié)能,我國發(fā)電總量的63％左右是通過電動機消耗的，10％～12％消耗在

68、照明上；電動機調(diào)速節(jié)能和照明節(jié)能是國家經(jīng)貿(mào)委、國家計委、國家科技部提出的兩大節(jié)能重點；據(jù)統(tǒng)計，火力發(fā)電廠效率每提高1％，或者說，每節(jié)電1％，都可減少2．5％的二氧化碳排放量；我國若大面積開展用電力電子技術節(jié)能，其效果可相當于三峽電站的年發(fā)電量(840億kWh)；美國環(huán)境保護署(EPA)1991年提出一項“綠色照明(Green Light)”計劃，目的是使美國照明用電量(占全美總發(fā)電量20％—30％)節(jié)約一半，達到這一目標后，可降低