電力電子工程雖然可能不如其他形式的工程流行，但對我們周圍的世界至關重要，尤其是在保持世界動力的系統方面。

就像我們最近在許多其他行業中所看到的那樣，COVID-19展示了工程師和他們生產的技術對世界的重要性。從發電到運輸和通信技術再到日常廚房用具，電力電子設備以及這些電子設備背后的工程師無處不在。

這個簡短的系列文章一直在探索電力電子技術滲透到我們日常生活中的多種方式。在本系列的最后一部分，我們將研究電力系統如何真正涵蓋我們周圍世界的各個方面。

電力系統

當我們聽到“電力系統”一詞時，我們可能首先想到的是市電系統，傳統上將其結構化為電能的產生，傳輸和分配。但是，電力系統的范圍遠不止于此，它包括工業，購物中心，房屋，交通，航空，陸地，海洋等等。

電動汽車是最流行的產品之一，向我們展示了集成電力電子技術對我們的日常生活有何影響。圖片由替代燃料數據中心提供。

電力系統和電力電子領域之間的聯系是牢固的。兩個世界相互依賴。

電力電子技術已越來越成為電力系統的重要組成部分-改善質量，提高性能，并促進逐步實現更智能，更高效的能源。

電力電子技術以多種形式存在于電力系統中。我們將在下面詳細介紹其中的一些。

電動機驅動器

電動機在為家庭和工業應用提供電源方面起著至關重要的作用。

電力電子驅動器使電動機的控制成為可能，另外還有更高的系統效率和可靠性。電動機驅動器包括電動機，功率電子轉換器以及可能的速度和位置傳感器。

直流電動機驅動器

當需要以下方面的組合時，工程師可以使用直流電動機驅動器：恒定速度或轉矩，自動轉矩限制，恒定加速度，負載下的反向，根據機械或電氣信號進行準確的速度變化以及動態制動。

這些驅動器允許直流電動機的啟動，停止，速度控制和反向旋轉。典型的應用是在精密生產操作（混合，輸送和卷繞）的機器人（伺服質量驅動器），家用電器和其他低成本設備上的精密機床（磨床和車床）上。

最常見的轉換器控制直流電動機的電樞電壓和電流，并分為兩大類：DC-DC和AC-DC。直流電源系統不常見；例外情況是牽引應用和電池驅動的車輛。

直流驅動器通常控制電動機的電樞電流。小數和低積分馬力電動機通常為單相，而較大的電動機為三相。

感應（AC）電機驅動器

鼠籠式感應器是工業上最常見的電動機，主要是因為其成本低廉且結構堅固。當直接從線路額定電壓運行時，感應電動機會以恒定速度緊密運行。電力電子轉換器允許在需要變速和伺服驅動的應用中使用感應電動機，從而提高了能效。

同步（AC）電動機驅動器

傳統上，速度和位置控制應用程序使用直流電動機驅動器。但是，近年來，交流同步電動機伺服驅動器在諸如外圍計算機設備和機器人技術之類的應用中是常規的。

同步電動機使用多種形式的變速驅動器，例如熱泵，壓縮機和大型風扇。在幾千瓦的應用中，通常使用永磁同步電動機，但是，當額定功率較大時，最好使用帶有繞線轉子的同步電動機。

循環轉換器

在低速和大功率應用中，交流變頻器控制同步電動機和感應電動機的速度。循環轉換器使用由交流線路換向的受控整流器來改變交流電源的頻率。這是改變頻率的另一種方式，與使用整流器和逆變器的系統不同。

電機軟起動器

用于感應電動機的恒速軟起動器，可在啟動時降低電動機電壓，從而減少涌入電流，限制轉矩并提供直至全速的緩慢加速。

通過增加提供給電動機的電壓來減少浪涌電流，從而改善了電源系統的電壓曲線，延長了電動機的壽命，并避免了與感應電動機啟動相關的其他典型問題。

儲能和可再生能源

儲能技術允許按需從電網獲取電能，并在以后將其幾乎全部返還（負荷峰-峰值）。當它們不一定重合時，該存儲有助于平衡發電量和消耗量。

圖片由Unsplash提供。

在光伏，熱電，熱電子，燃料電池或磁流體動力學原理上運行的設備本質上是高電流，低電壓的DC設備。

存儲技術和可再生能源要求電力電子設備將直流電轉換為穩定頻率的交流電，以便以高功率水平插入電網。

隨著世界不斷考慮節能的重要性，我們將儲能和可再生能源技術視為電力的未來。

高壓直流輸電（HVDC）

與長距離傳輸大量電力以及在海底或地下電纜傳輸應用中相比，DC線路和電纜比三相AC便宜。AC在發電，低壓配電，中短距離傳輸和消耗方面更具優勢。

直到50年代中期，直流系統的應用才是不切實際的，當時高壓汞弧閥的創新首次使直流輸電在經濟上具有吸引力。半導體技術的后續發展豐富了HVDC轉換器的主題。

在交流發電機側，轉換器充當整流器，在通過轉換器變壓器升壓后獲得直流電。在接收端，轉換器充當逆變器以獲取交流電。最后，在通過轉換器變壓器降低電壓之后，將為用戶供電。

改善的瞬態穩定性和電氣系統振蕩的動態阻尼是兩個因素，使平衡優先于直流而不是交流。HVDC傳輸還用于互連具有不同頻率或不同步的交流電源系統。

靜態無功補償器（SVC）

靜態伏安無功（VAR）補償器可根據負載變化對無功功率進行快速控制。它們提高了交流系統之間互連的穩定性，并防止了電弧爐和其他工業負載引起的電壓閃變，從而提高了電能質量。

有源電力濾波器

有源電力濾波器是用于提高電網系統質量和效率的設備。

當公用事業公司提供非線性負載時，諧波不應進入電力系統。第一步是改進非線性負載本身的設計，將諧波降低到安全值。當該解決方案不可行時，使用有源功率濾波器將變得切實可行。

有源功率濾波器在補償動態諧波方面具有比LC無源濾波器更好的性能，并且不受電網阻抗和電網頻率的影響。它們可以改善負載的功率因數，實施適當的控制方案。

如今，由于功率半導體器件的增強的功率處理能力，它們被廣泛使用。

不間斷電源（UPS）

通常的做法是為關鍵負載（計算機網絡，SCADA系統，醫療設備）提供不間斷電源。它們可防止斷電，過壓，欠壓，瞬變和諧波。

其工作原理很簡單。整流器將AC轉換為DC，并向電池組（保持充電狀態）和逆變器供電。逆變器將直流電轉換回交流電并提供負載。正常情況下，整流器直接為逆變器供電。如果發生故障，則電池將為逆變器供電。這樣，UPS可以隔離公用設施中的雜質，并且在停電時不會中斷通往負載的潮流。

混合動力和電動汽車電池技術

電力電子學是電力行業管理插電式混合動力和電動汽車的基礎。

圖片由Pixabay提供。

根據聯合市場研究公司（Allied Market Research）的數據，2019年全球汽車市場價值為1620億美元。到2027年，估計將增長到8020億美元。當今電動汽車背后的電力電子技術是全球市場的推動力。

推動未來技術發展

電力電子在我們的日常生活中根深蒂固，以至于人們可能不會注意到它。

電力電子部門負責轉換和調節電能，使我們日常運行的設備能夠正常工作。

互聯網連接，電動汽車，計算機網絡，醫療設備，電網，工廠，國際空間站以及許多其他事物都蘊含著電力電子技術。

隨著電力電子技術的變化，未來將是令人興奮的，并將繼續改變世界。當前的工業，能源，醫藥，通信和運輸的全球情況正在將電力電子技術變成一項戰略技術，因為它確保了我們增長的可持續性。