电工电子技术发展概况


电工学是研究电工技术和电子技术的理论和应用的技术基础课程。随着电工电子技术的迅速发展,其应用也日益广泛,以致现代一切新的科学技术无不与其有着密切的关系。
   我国很早就已发现电和磁的现象,在古籍中曾有“慈石召铁”和“唬拍拾芥”的记载。磁石首先应用于指示方向和校正时间,在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中提到的“司南”就是指此。以后由于航海事业发展的需要,我国在11 世纪就发明了指南针。在宋代沈括所著的《梦溪笔谈》中有“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也”的记载。这不仅说明了指南针的制造,而且已经发现了磁偏角。直到12 世纪,指南针才经由阿拉伯人传人欧洲。
    在18 世纪末和19 世纪初的这个时期,由于生产发展的需要,在电磁现象方面的研究工作发展得很快。法国物理学家库仑在1785 年首先从实验确定了电荷间的相互作用力,电荷的概念开始有了定量的意义。1820 年,丹麦科学家奥斯特从实验发现了电流对磁针有力的作用,揭开了电学理论新的一页。同年,法国科学家安培确定了通有电流的线圈的作用与磁铁相似,这就指出了磁现象的本质问题。有名的欧姆定律是德国科学家欧姆在1826 年通过实验而得出的。英国科学家法拉第对电磁现象的研究有特殊贡献,他在1831 年发现的电磁感应现象是以后电工技术的重要理论基础。在电磁现象的理论与实用问题的研究上,俄国科学家楞次发挥了巨大的作用,他在1833 年建立了确定感应电流方向的定则(楞次定则)。楞次在1844 年还与英国物理学家焦耳分别独立地确定了电流热效应定律(焦耳一楞次定律)。在法拉第的研究工作基础上,英国物理学家麦克斯韦在1864 年至1873 年提出了电磁波理论。他从理论上推测到电磁波的存在,为无线电技术的发展奠定了理论基础。
1888 年,德国物理学家赫兹通过实验获得电磁波,证实了麦克斯韦的理论。但实际利用电磁波为人类服务的还应归功于马可尼和波波夫。大约在赫兹实验成功七年之后,他们彼此独立地分别在意大利和俄国进行通信试验,为无线电技术的发展开辟了道路。研究电路理论首先遇到的是基尔霍夫定律,德国物理学家基尔霍夫两个脍炙人口的定律是1847年他在一篇划时代的电路理论论文“关于研究电路线性分布所得到的方程的解”中提出的。戴维宁定理是法国工程师戴维宁在1883 年提出的,是分析线性网络的重要定理。同电压源等效的电流源,首先是由美国贝尔电话实验室的工程师诺顿提出的,如今将对应于这一等效关系的线性网络分析方法称之为诺顿定理。
    生产上需要动力驱动,电动机应时问世。德籍俄国物理学家雅可比在1834 年制造出世界上第一台电动机,并用它在涅瓦河上做了驱动船舶的实验,这证明了实际应用电能的可能性。电机工程得以飞跃地发展是与多利沃一多勃罗沃尔斯基的工作分不开的。这位杰出的俄国工程师是三相系统的创始者,他发明和制造出三相异步电动机和三相变压器,并首先采用了三相输电线。当今,电动机林林总总,各见其长,其应用不胜枚举。例如一辆现代化汽车上要用到几十台甚至上百台不同用途的微型电动机。
    人类在跟自然界斗争的过程中,不断总结和丰富着自己的知识。电子科学技术就是在生产斗争和科学实验中发展起来的。1883 年美国发明家爱迪生发现了热电子效应,随后在1904 年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管,并证实了电子管具有“阀门”作用,它首先被用于无线电检波。1906 年美国的德福雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极―栅极,从而发明了电子三极管,从而建立了早期电子技术上最重要的里程碑。半个多世纪以来,电子管在电子技术中立下了很大功劳;但是电子管毕竟成本高,制造繁,体积大,耗电多,从1948 年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来,在各个领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是,我们不能否定电子管的独特优点,在有些装置中,不论从稳定性、经济性或功率上考虑,还需要采用电子管。1960年又诞生了金属一氧化物一半导体场效晶体管,为后来研制大规模集成电路奠定了基础。
    集成电路的第一个样品是在1958 年见诸于世的。集成电路的出现和应用,标志着电子技术发展到了一个新的阶段。它实现了材料、元器件、电路三者之间的统一;同传统的电子元器件的设计与生产方式、电路的结构形式有着本质的不同。随着集成电路制造工艺的进步,集成度越来越高,集成电路分类见表1 。
表1 集成电路分类表
集成电路分类
集成度
举例
小规模集成电路 SSI
1~10 个门/片或10~100个元器件/片
集成门电路、集成触发器
中规模集成电路 MSI
10~100 个门/片或100~1000个元器件/片
译码器、编码器、选择器、计数器、寄存器
大规模集成电路 LSI
100~1000 个门/片或1000个~10 万个元器件/片
中央处理器、存储器、接口电路
超大规模集成电路 VLSI
大于1000个门/片或大于10万个元器件/片
在一个硅片上集成一个完整的微型计算机
   
    随着半导体技术的发展和科学研究、生产、管理和生活等方面的需要,电子计算机应时而起,并且日臻完善。从1946 年诞生第一台电子计算机以来,已经历了电子管、晶体管、集成电路及大规模集成电路四代,每秒运算速度已高达百万亿次。现在正在研究开发第五代计算机(人工智能计算机)和第六代计算机(生物计算机),它们不依靠程序工作,而依靠人工智能工作。特别是从20 世纪70 年代微型计算机问世以来,由于它价廉、方便、可靠、小巧,大大加快了电子计算机的普及速度。例如个人计算机,它从诞生至今不过经历了二十多年的时间,但已走进了千家万户。集计算机、电视、电话、传真机、音响等于一体的多媒体计算机也纷纷问世。以多媒体计算机、光纤电缆和互连网络为基础的信息高速公路已成为计算机诞生以来的又一次信息革命。未来的人工智能更将给人们的生活与工作方式带来前所未有的变化。
    数字控制、数字通信和数字测量也都在不断发展和得到日益广泛的应用。数字控制机床从1952 年研制出来后,发展很快,目前已普遍应用。“加工中心”多工序数字控制机床、“自适应”数字控制机床和利用计算机对机床进行“群控”也都相继实现。
    随着电子技术和计算机技术的日益发展,以电子电路计算机辅助设计为基础的电子设计自动化(EDA )技术已成为电子技术领域的重要设计手段。例如Multisim 仿真软件,它是加拿大IIT ( Interactive Image Technologies ) 公司在20 世纪80 年代后期推出的,至今已发展到第10 版。该软件具有界面直观、操作方便以及具有丰富的仿真分析能力等优点。
    从20 世纪80 年代以来,可编程逻辑器件(PLD )发展非常迅速,它的研制成功为设计和制造专用集成电路提供了一条比较理想的途径。在20 世纪90 年代初推出了一种新型在系统可编程逻辑器件(isP PLD ) ,在编程时既不需要使用专用编程器,也不需要将它从所在系统的电路板上取下,可以通过计算机在系统内进行编程。接着又推出了在系统可编程模拟器件(isP PAC )。可编程控制器(PLC )是以中央处理器(CPU )为核心综合了计算机技术和自动控制技术发展起来的一种工业控制器,它也可在现场应用而设计。目前它已被广泛应用于国民经济的各个控制领域,其应用广度和深度是一个国家工业先进水平的重要标志。
    由于大功率半导体器件的制造工艺日益完善,电力电子技术已是当今一门发展迅速、方兴未艾的科学技术,应用于中频电源、变频调速、直流输电、不间断电源等诸多方面,使半导体技术进人了强电领域。
    电子水准是现代化的一个重要标志,电子工业是实现现代化的重要物质技术基础。电子工业的发展速度和技术水平,特别是电子计算机的高度发展及其在生产领域中的广泛应用,直接影响到工业、农业、科学技术和国防建设,关系着社会主义建设的发展速度和国家的安危;也直接影响到亿万人民的物质、文化生活,关系着广大群众的切身利益。

超导体在电力系统中的应用    

1 超导电缆

 电力电缆是超导技术在电力系统中很有发展潜力的应用之一。相同截面的超导电缆载流量大约是普通铜芯电缆的3~5倍,电能损耗极小,而重量要轻得多。因此和普通电缆相比,超导电缆输送容量大、损耗小,电网的电压等级可以大大下降。人口稠密的大城市在供电电压不变的情况下,要在有限的空间内扩大电力输送容量以满足迅速增长的电力需要,在原有地下管道内用超导电缆替代常规的铜芯电缆是解决方案之一。3条单相长130 m、24 kV,输送电流达2.4 kA的超导电缆,现正在美国底特律市的Frisbie变电站敷设,这将是世界上第一条正式投入商业运行的超导电缆。

   这条超导电缆由世界最大的电缆制造商之一Pirelli电缆公司和美国超导公司ASC合作研制,其中关键的超导体是由银合金的陶瓷化合物BSCCO(铋-锶-钙-铜-氧化物)构成,这种带状超纯化合物在超导状态下的电流密度极高,尺寸仅4mm宽、0.2 mm厚。超导薄带绕在一柔性空心芯管上,外层覆盖有保温材料,最外层则是常温下的绝缘介质和保护外套。电缆中心是流动的液态氮制冷剂,要将超导体冷却至大约-200℃左右,电缆在运行中需要配备制冷维护系统。预计这条电缆将于2001年初正式投运,若结构设计采用低温绝缘介质,则输送容量将会进一步提高。此外,美国Southwire公司的12.5 kV/1.25 kA超导电缆即将在美国乔治亚州安装,日本东京电力公司的66 kV/2 kA超导电缆也已通过试验。

2 超导变压器

     如果用超导材料替代铜来作变压器绕组,变压器的重量就会大大减轻,噪声大大减小,而且因不用变压器油而无火灾之忧,即使发生泄漏,液态氮蒸发到空气中对环境也无害,并且变压器工作在低温下其使用寿命要长得多,更重要的是进一步减少了损耗,过载能力强且对系统过流有限制作用。美国Waukesha公司在1997年就研制了1 MVA的超导变压器。

      绕制线圈的超导材料采用极细的复合多芯线,高低压绕组均置于液态氮中,而铁芯则于处常温下。因液态氮的冷却成本较低,为简化结构,有的超导变压器将绕组和铁芯全部置于液氮容器内。还有的结构设计是在绕组导线中流动制冷剂。该公司已计划于2001年中期在美国威斯康新州投运一台正常容量5 MVA、过载容量10 MVA/26.4 kV的超导变压器。ABB公司的一台三相18.7 kV/630 kVA的超导变压器绕组也是采用BSCCO材料,液氮冷却温度为77 K,铁芯为常温,已在瑞士的日内瓦配电网中成功运行2年多时间。

3 超导电机

    超导发电机具有更高的发电效率,更小的重量和几何尺寸。1977年美国电力研究院(EPRI)就开始1200MVA超导发电机的概念设计,1994年美国GE公司在美国能源部的资助下,开始100 MVA超导发电机的研制。由于发电机采用超导转子其产生的磁场强度大大高于同容量普通发电机。这一方面大幅度减小了定子铁芯的尺寸,有利于提高定子绕组的绝缘水平,另一方面也提高了发电机的端电压,甚至可取消升压变直接将发电机并入电网运行,而损耗要比普通发电机下降50% 以上。

   超导发电机的另一个突出特点是有利于改善系统的稳定性。一般来说,发电机的电抗越小,系统就越稳定。超导发电机的电抗大约只有普通发电机的1/4左右,因此在系统电抗相对较小时,系统的稳定极限增加了约4倍。

         另外对超导电动机的实用化研究也取得很大进展,美国Reliance公司的150 kW、1 800 rpm超导电动机已通过试验,更大容量的745~3 730 kW超导电动机正在研制中。

4 超导限流器(SFCL)

     在电力系统中使用的限流器应具有这样的功能:在正常运行时几乎没有损耗,而一旦系统发生故障时又能瞬间限制短路电流,当故障电流消失后又立即恢复正常状态。超导限流器就具有这样的功能。在正常情况下超导限流器处于超导状态,损耗极小;而在系统发生故障时又能立即转为非超导状态,这种导电状态的跃变可在小于1 ms内完成,进而限制短路电流维持系统稳定。电力系统采用超导限流器后系统设备的短路容量值可大为减少,从而增大电网的输送容量与规模,减少设备投资。

     目前已有基于各种工作原理的超导限流器问世。这种限流器实质上是一个次级绕组短路的变压器,系统电流通过初级绕组,次级绕组是一个超导环,它所产生的磁通几乎完全抵消了初级绕组产生的磁通,因此正常工作情况下的阻抗极小;系统故障时的短路电流将使次级绕组的电流密度超过临界值而不再超导,不能再抵消初级绕组产生的磁通,初级绕组阻抗变大而限制了短路电流;系统故障消失后又可恢复正常。

       超导限流器是目前电力系统中应用较成功的超导电力设备,ABB公司的1.2 MVA磁屏蔽型三相超导限流器1997年就已投入实际运行,它可在几ms时间内将60 kA的短路电流限制到约700 A。美国Lockheed Martin公司研制的15 kV/20 kA超导限流器已于1999年在美国加州Edison变电站投入试验运行。

5 超导储能器(SMES)

    超导储能是通过流过超导线圈的直流电建立磁场,将电能以LI2/2的电磁能形式储存于磁场中。释放能量时又将电磁能转换成交流电能,其能量的释放速度非常快,通常仅需几ms 。因为超导的直流电阻几乎为零,所以这种能量的储存不会有损耗,它的转换效率高达95%,而抽水储能的转换效率仅为70% 左右。因此,超导储能与抽水蓄能、蓄电池储能、飞轮储能等其他储能形式相比具有转换效率高、速度快,不受建造场地限制等优点。在大电网经济运行储能不足的情况下,具有很大的潜在市场。

    由于超导储能器可向电网提供较大的瞬时功率,这在正常工作情况下,系统电流经大功率电子变换器转换成直流注入超导线圈,以电磁能形式储存起来,当电网出现波动时检测控制系统立即发出释放能量的信号,此时储存的能量在极短的时间内经变换器转化成交流电输出,以满足系统的要求。

    目前,美国Wisconsin电力公司已在有特殊电压稳定要求的配电网中投运了6个针对用户的小型超导储能器,美国超导公司首次向奥地利一家铝厂出口的超导储能器也于2000年4月开始安装,以解决当地的电压波动问题。

    对稳定系统电压、增加系统阻尼、提高系统的动态和静态稳定性也大有好处。在美国就已有一个用30 MJ的超导储能器来消除大功率远距离输电网中低频振荡的实例。