这是我本学期《实验室科研探究》课最后一个单元,很可能也是我大学生涯上过的所有单元中的最后一个单元,因为我马上就要毕业了。在这几年中,我共选修了三次《实验室科研探究》课,总计学习了24个单元。这些单元分别分布在学校的不同地方,大多数是各个系的系馆。我也因为本课程,能够有机会进入各个系馆学习与我所学专业几乎完全不同的知识,体验其他专业的思考方式。这个单元在系统中显示的上课地点是“西主楼1区101”,然而前往西主楼后,我并没有找到1区,后来发现实际上1区在西配楼。找到并进入实验室后,我看见实验室里面有很多高级的实验设备。
接下来是课程的主要内容。老师讲,电力电子变换与电机控制的背景是当前的能源问题,并为我们播放了短片。现如今,能源的问题确实日益凸显出来,人们意识到,能源不是无限的,并且随着化石能源的过度利用,全球气候变暖的趋势也越来越严重。为此,人们在日常生产实践活动中就要注意节约能源、减少碳排放。节约能源的一个方面就是对电能的高效利用。
例如,老师说,用电驱动电动机的时候,如果提供的电能超过了所需的,那么多出来的就会被浪费,因此需要调节,使得供应的几乎等于所需的。此外,电动机的转速和输入交流电的频率呈线性关系,如果交流电频率固定,那么调节转速就需要用机械的方法,机械损耗较大,且容易损坏。为此,可以使用变频器来调节输入给电动机的频率。
一般地,变频器由AC-DC(交流到直流)的整流器和DC-AC(直流到交流)的逆变器组成。基本的整流电路相对简单,用几个二极管、电感和电容即可实现将交流电变为直流电。逆变电路则更复杂一些。首先,有四个电子开关,通过合理控制它们的连通与断开,可以按一定周期翻转输出端电压的极性,于是可以在输出端输出方波作为一种交流电。由于方波含有的频率分量过多,不像正弦波一样纯净,因此若使用方波为某些负载供电,负载就会发出噪音以及产生额外的热量,不利于电能的有效利用,而且损害设备寿命。进一步,若控制开关时使用PWM,外加电感和电容等元件,就可以产生更逼近正弦波的交流电,方便负载使用。将整流器和逆变器组合起来,在逆变器进行输出的时候改变其输出的频率,这就是变频器大致的原理。
顺便一提,另外两种交流和直流组合是AC-AC和DC-DC,AC-AC是交流斩波器或者直接变频器,DC-DC是直流斩波器。此外,还有各种各样的电力电子变换设备,高效稳定地为负载提供所需的电能。
接下来,老师为我们讲解了若干个应用实例,包括风力发电以及光伏发电,最后带我们参观了实验平台。
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