电气工程发展简史

电力电子器件发展简史各种产品设备对电源的不同要求，催生了电力电子技术；电力电子器件的不断涌现，又发展了电力电子技术。早在1900年，美国纽约地铁为了从交流电网中获取直流电源给地铁列车供电，就开始采用机械整流器的方法。由于机械整流器是旋转的，且整流用的电接触部分是相对运动的，因而存在高损耗、大维修量等诸多问题，促使人们研究其他更好的技术来实现电源的变换，特别是以1948年发明晶体管为代表的半导体技术。1957年美国通用电气公司(GeneralElectric,GE)发明了可控硅(SiliconControlledRectifier,SCR)，后被国际电工学会正式命名为晶闸管(Thyristor)。可控硅于1960年正式供应市场。由于可控硅是PNPN结构，具有更低的导通压降，又是可控的器件，因此它的发明被称为电子学的第二次革命。从现代角度来理解电力电子技术的内涵，晶闸管可以说是第一种电力电子半导体器件，它开启了电力电子技术的新纪元。1981年，IGBT诞生了。由于其驱动损耗小、通态压降低、开通和关断时不必采取额外的措施来限制电流电压变化率，因此IGBT自投放市场以来，比起先前的各种可关断器件，更受到使用者的青睐。通过不断改进结构和工艺，现在容量已经达到6500V/2400A。混合型器件不断得到开发，1987年开发出了静电感应晶体管(StaticInductionTransistor,SIT)和静电感应晶闸管(StaticInductionThyristor,SITH)，1988年开发出MOS控制晶闸管(MosControlledThyristor,MCT)，1991以后年开发出不同的发射极开关的晶闸管(EmitterSwitchedThysistor,EST)，1996年开发出集成门极换向晶闸管(IntegratedGateCommutatedThyristor,IGCT)，1998年开发出注入增强门极晶体管(InjectionEnhancementGateTransistor,IEGT)，等等。1990年，把IGBT半导体电子开关的驱动电路、过流保护电路、过热保护电路、短路保护电路等集成起来，与电子开关一起封装在一个模块中的“智能化”器件开发成功，称为智能功率模块(IntelligentPowerModule,IPM)。这是一种全新的器件理念。在这种理念引导下，此后各种各样的集成电力电子模块(IntegratedPowerElectronicsModule,IPEM)，如电力电子搭积木（PEBB）组件、灵巧(SMART)器件、专用功率集成(ASPIC)器件等得到进一步开发。随着技术的发展，电力电子器件在不断进步。在控制方面，从单门控制器件(SingleGateDevice)向双门控制器件(DoubleGateDevice)变化，如双沟道（TrenchDouble）IGBT；在材料方面，从硅(Silicon)材料向碳化硅(4H-SiC)材料变化，甚至今后可能采用金刚石材料，如碳化硅功率二极管；在PN结方面，从一维结器件(One-dimensionaljunctiondevice)向三维超结器件(Three-dimensionalsuperjunctiondevice)变化，如酷(Cool)MOS器件。西门子公司开发的耐压为600V的CoolMOS，其通态电阻只有普通功率MOS管的五分之一。2001年戴姆勒-克莱斯勒(DaimlerChryslerResearchandTechnology)用1700V的碳化硅二极管替代IGBT模块中的硅反并二极管后，所构成逆变器的开通损耗只有原来的三分之一，关断损耗只有原来的五分之一。到2001年，全碳化硅器件已经开发出19kV的二极管，1.8kV的双极晶体管，3.1kV/3A的GTO，也开发出了功率MOS管和IGBT模块。电力系统发展简史电力工业的建立至今已有一个多世纪的历史。今天，电与人们的生产、生活、科学技术研究和社会文明建设息息相关，对现代社会的各个方面已产生直接或间接的巨大作用和影响，已成为现代文明社会的重要物质基础。1799年物理学家伏特发明第一个化学电池，人们开始获得连续的电流。随后，安培、欧姆、亨利、法拉第、爱迪生、西门子、楞次、基尔霍夫、麦克斯韦、赫兹、特斯拉、威斯汀豪斯等一大批电气工程界的伟大先驱们创造了一系列理论与实践成果，为电力工业的诞生开辟了现实的途径。1831年，法拉第发现电磁感应原理，并制成最早的发电机——法拉第盘（Fraday’sDisk），奠定了发电机的理论基础。1866年，西门子发明了自励磁发电机，并预见：电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元（几乎同时，王尔德（Wilde）等人也发明了自励磁发电机，但西门子拥有优先权）。1870年，比利时的格拉姆（Gramme）制成往复式蒸汽发电机供工厂电弧灯用电。1875年，巴黎北火车站建成世界第一个火电厂，用直流发电供附近照明。1879年，旧金山建成世界第一座商用发电厂，两台发电机供22盏电弧灯，收费$10/灯周。同年，先后在法国和美国装设了试验性电弧路灯。1879年，爱迪生发明了白炽灯。1881年第一座小型水电站建于英国。1882年9月，爱迪生在美国纽约珍珠街建成世界上第一座正规的发电厂，装有6台蒸汽直流发电机，共662kW（900hp），通过110V地下电缆供电，最大送电距离1英里，供59家用户，1284盏白炽灯，收费25美分/kWh，装设了熔丝、开关、断路器和电表等，建成了一个简单的电力系统。1882年9月，美国还在威斯康星州富克斯（Fox）河上建立了一座25kW水电站。1882法国人德普勒（Deprez）还在慕尼黑博览会上表演了电压1500~2000V直流发电机经57kmn线路驱动电动泵（最早的直流输电）。1884年英国制成第一台汽轮机。1885年制成交流发电机和变压器，于1886年3月用以在马萨诸塞州的大巴林顿建立了第一个单相交流送电系统，电源侧升压至3000V，经1.2km到受端降压至500V，显示了交流输电的优越性。1891年德国在劳芬电厂安装了第一台三相100kW交流发电机，通过第一条三相输电线路送电至法兰克福。1893年芝加哥展示了第一台交流电动机。1894年建成尼亚加拉大瀑布水电站。1896年采用三相交流输电送至35km外的布法罗。结束了1880年以来交直电优越性的争论。也为以后30年间大量开发水电创造了条件。1899年，加州柯尔盖特（Colgate）水电站至萨克拉门托（Sacramento）建成112km的40kV交流输电线。这也是当时受针式绝缘子限制可能达到的最高输电电压。1903年，威斯汀豪斯电气公司装设了第一台5000kw汽轮发电机组，标志着通用汽轮发电机组的开始。但因受当时锅炉蒸汽参数的限制，容量未能扩大，而主要建立水电站。1904年，意大利在拉德瑞罗地热田首次实验成功552W地热发电装置。1907年美国工程师爱德华（Edward）和哈罗德（Harold）发明了悬式绝缘子，为提高输电电压开辟了道路。1916年，美国建成第一条90km的132kV线路。1920年时世界装机为3000万kW，其中美国占2000万kW。1922年，在加州建成220kV线路。1923年投运。1929年，美国制成第一台20kW汽轮机组。1932年，苏联建成第聂伯水电站，单机6.2万kW。1934年，美国建成432km的287kV线路。二战期间，德国试验四分裂导线，解决了380kV线路电晕问题，并制成440kV汞弧整流器，建成从易伯(Elbe)至柏林的100km地下直流电缆，大大促进了超高压交流输电的发展，和直流输电的振兴。战后，美国于1955、1960、1963、1970和1973等年份分别制成并投运30万kW，50万kW，100万kW，115万kW和130万kW汽轮发电机组。二战期间开发的核技术还为电力提供了新能源。1954年苏联制成功第一台5000kw核电机组。1973年法国试制成功120万kW核反应堆。1954年，瑞典首先建立了380kV线路，采用2分裂导线，距离960km，将北极圈内的哈斯普朗盖特(Harspranget)水电站电力送至瑞典南部。1954年，苏联在奥布宁斯克建成第一座核电站。1964年，美国建成500kV交流输电线路。苏联也于同年完成了500kV输电系统。1965年，加拿大建成765kV交流线路。1965年，苏联建成±400kV的470km高压直流输电线路，送电75万kW。1970年，美国建成±400kV的1330km高压直流输电线路，送电144万kW。1989年，苏联建成一条世界上最高电压1150kV、长1900k电机发展简史在生产需要的直接推动下，具有实用价值的发电机和电动机相继问世，并在应用中不断得到改进和完善。初始阶段的发电机是永磁式发电机，即用永久磁铁作为场磁铁。由于永久磁铁本身磁场强度有限，因而永磁式发电机不能提供强大的电力，缺乏实用性。要增大发电机的输出功率，使其达到实用要求，就要对发电机的各个组成部分进行改造。发电机的主要部件是场磁铁、电枢、集电环和电刷。1845年，英国物理学家惠斯通通过外加电源给线圈励磁，用电磁铁取代永久磁铁，取得了极大成功。随后又改进了电枢绕组，从而制成了第一台电磁铁发电机。1866年德国科学家西门子制成第一台使用电磁铁的自激式发电机。西门子发电机的成功标志着建造大容量电机，从而获得强大电力，在技术上取得了突破。因此，西门子发电机在电学发展史上具有划时代的意义。自激原理的发现是永磁式发电机向励磁式发电机发展的关键环节。自激是指直流发电机利用本身感应的电功率的一部分去激发场磁铁，从而形成电磁铁。在发电机的改进过程中，磁场的变化经历了从永磁到励磁；而电流励磁又经历了从他激到自激，自激又经历了从串激到并激，再到复激的发展过程。因此直流电机按其励磁方法的不同又可分为他激和自激两类，而自激电机又包括了串激、并激和复激三种形式。1870年比利时人格拉姆(1826—1901)依靠瓦利所提出的原理，并采用了1865年意大利人帕契诺蒂(184l-1912)发明的齿状电枢结构，创造了环形无槽闭合电枢绕组，制成了环形电枢自激直流发电机。1873年，德国电气工程师赫夫纳·阿尔特涅克(1845—1904)对直流电机的电枢又作了改进，研制成功鼓状电枢自激直流发电机。他吸取了格拉姆和帕契诺蒂电机转子的优点，简化了制造方法，因而大大提高了发电机的效率，降低了发电机的生产成本，使发电机进入到实用阶段。至此，直流发电机的基本结构已达到定型化。1880年，美国发明家爱迪生制造出了名为“巨象”的大型直流发电机，并于1881年在巴黎博览会上展出。与此同时，电动机的研制工作也在进行之中。美国工程师达文波特在1836年首先尝试用电动机驱动机械。1834年俄国物理学家雅可比发明了功率为15瓦的棒状铁心电动机。发电机和电动机是同一种机器的两种不同的功能，用其作为电流输出装置就是发电机，用其作为动力供给装置就是电动机。电机的这一可逆原理是在1873年偶然获得证明的。这一年在维也纳的工业展览会上，一位工人操作失误，把连根电线错接到一台正在运行的格拉姆发电机上，结果发现这台发电机的转子改变了方向，迅即向相反的方向转动，变成了一台电动机。在此以前，电动机和发电机是各自独立发展的。从此以后，人们认识到直流电机既可作发电机运行，也可作电动机运行的可逆现象，这个意外的发现，对电机的设计制造产生了深刻的影响。随着发电、供电技术的发展，电机的设计和制造也日趋完善。1878年出现了铁心开槽法，即把绕组的嵌入槽内，以加强绕组的稳固相减少导线内部的涡流损耗。那时出现的有槽铁心和鼓形绕组的结构一直沿用至今。1880年爱迪生提出了薄片叠层铁心法，马克西提出铁心径向通风道原理解决了铁心的散热问题。1882年提出了双层电枢绕组，1883年发明了叠片磁极，1884年发明了补偿绕组和换向极，1885年发明炭粉末制造电刷。1386年确立了磁路计算方法，1891年建立了直流电枢绕组的理论。到l9世纪90年代，直流电机已具有了现