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(General Electric, GE)发明了可控硅(Silicon Controlled Rectifier, 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 (Static Induction Transistor, SIT)和静电感应晶闸管(Static Induction Thyristor, SITH)， 1988 年开发出 MOS 控制晶闸管(Mos Controlled Thyristor, MCT)， 1991以后年开发出不同的发射极开关的晶闸管(Emitter Switched Thysistor, EST)，1996年开发出集成门极换向晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT)， 1998 年开发出注入增强门极晶体管(Injection Enhancement Gate Transistor, 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(Intelligent Power Module, 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 (Integrated Power Electronics Module, 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 (Single Gate Device)向双门控制器件(Double Gate Device)变化，如双沟道 (Trench Double)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-dimensional junction device)向三维超结器件(Three-dimensional super junction device）变化，如酷（Cool）MOS 器件。西门子公司开发的耐压为600V的Cool MOS，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（Daimler Chrysler Research and Technology）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一一法拉第盘 （Fradays Disk），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15002000V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，苏联建成土400kV的470km高压直流输电线路，送电75万kW。1970年，美国建成土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(18261901 )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(18451904)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l 9世纪90年代，直流电机已具有了现代直流电机的一切 主要结构待点。尽管直流电机已被广泛使用，并在应用中产生了可观的经济效益，但其自身的 缺点却制约了它的进一步发展。这就是它不能解决远距离输电，也不能解决电压高 低的变换问题，于是交流电机获得了迅速发展。在此期间两相电动机和三相电动机 相继问世。1885年意大利物理学家加利莱奥费拉里斯(18411897)提出了旋转 磁场原理，并研制出厂二相异步电动机模型，1886年移居美国的尼古拉特斯拉 也独立地研制出二相异步电动机。俄国籍电气工程师多利沃-多勃罗沃利斯基在 1888年制成一台三相交流单鼠笼异步电动机。交流电机的研制和发展，特别是三 相交流电机的研制成功为远距离输电创造了条件，同时把电工技术提高到一个新的 阶段。1880年前后，英国的费朗蒂改进了交流发电机，并提出交流高压输电的概 念。1882年，英国的高登制造出了大型二相交流发电机。1882年法国人高兰德 (18501888)和英国人约翰吉布斯获得了 “照明和动力用电分配办法”的专利， 并研制成功了第一台具有实用价值的变压器，它是交流输配电系统中最关键的设 备。变压器的基本结构是铁心和绕组，以及油箱和绝缘套管等部件。它所依据的工 作原理是法拉第在1831年发现的互感现象，即由于一个电路产电流变化，邢在邻 近另一电路中引起感生电动势的现象。在同一铁心上绕上原线圈和副线圈，如在原 线圈今通入交变电流，由于电流的不断变化，而使其产生的磁场也随之不断变化， 在副线圈中也就感应出电动势来。变压器靠这一工作原理，把发电机输出的电压升 高，而在用户那里又把电压降低。有了变压器可以说就具备了高压交流输电的基本 条件。1884年英国人埃德瓦德、霍普金生(1859-1 922)又发明了具有封闭磁路的 变压器。后来威斯汀豪斯(18461914)对吉布斯变压器的结构进行了改进，使之成为一台具有现代 性能的变压器。1891年布洛在瑞士制造出高压油浸变压器，后又研制出巨型高压 变压器。由于变压器的不断改进.使远距离高压交流输电取得了长足的进步。经过100多年的发展，电机本身的理论已经相当成熟。但是，随着电工科学、 计算机科学与控制技术的发展，电机的发展又进入了新的阶段。其中，交流调速电 动机的发展最为令人瞩目。早在半个多世纪以前，传统的变电压、串级、变压变频等交流调速方法的原理 就都已经研究清楚了，只是由于要用电路元件和旋转变流机组来实现，而控制性能 又比不上直流调速，所以长期得不到推广应用。1970年代以后，有了电力电子变 流装置以后，逐步解决了调速装置要减少设备、缩小体积、降低成本、提高效率、 消除噪声等问题，才使交流调运获得了飞跃的发展。发明矢量控制之后，又提高了 交流调速系统的静、动态性能。但是要实现矢量控制规律，需要复杂的电子电路， 其设计、制造和调试都很麻烦。采用微机控制以后，用软件实现矢量控制算法，使 硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了可靠性，而且还有可能进一步实现更加 复杂的控制技术。由此可见，电力电子和微机控制技术的迅速进步是推动交流调速 系统不断更新的动力。另外，高性能永磁材料和超导材料的发展，也给电机的发展注入了新的活力。永磁电机由于结构简单，可靠性好，效率高，节省能量，从成本、性能、投 资、维修和可靠性等几方面综合考虑，优于普通电机。但过去永磁材料的磁能积较 小，一直没有得到广泛应用。近几年，随着稀土永磁材料的高速发展和电力电子技 术的发展，使永磁电机有了长足进展。采用钕铁硼永磁材料的电动机、发电机已经 得到广泛应用，大至舰船推进，小到人工心脏血泵等。超导电机则已经用于发电和高速磁悬浮列车与船舶的推进等。随着科学技术的进步、原材料性能的提高和制造工艺的改进，电机正以数以万 计的品种规格、大小悬殊的功率等级（从百万分之几瓦到1000MW以上）、极为宽广 的转速范围（从数天一转到每分钟几十万转）、非常灵活的环境适应性（如平地、高 原、空中、水下、油中，寒带、温带、湿热带、干热带，室内、室外，车上、船 上，各种不同媒质中等），满足着国民经济各部门和人类生活的需要。高电压与绝缘技术发展简史高电压与绝缘技术是以试验研究为基础的应用技术，主要研究在高电压作用下 各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象、高电压设备的绝缘结构设计、高电压试验和测量的设备及方法、电力系统的过电压、高电压 或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、 大电流的应用等。高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展（如X 射线装置、粒子加速器、大功率脉冲发生器等）都有重大影响。1752年，富兰克林进行了著名的风筝引电实验，从而证明雷电与摩擦所产生 电荷性质是一样的，这实际上是一种高电压试验。1895-1896年，W. K.伦琴 （Rntgen）发现X射线并将其用于人手骨骼摄像时就已应用了高电压技术。1911 年，E.卢瑟福（Rutherford）根据a粒子轰击金箔引起散射而提出原子模型时也 应用了高电压技术。1931年，范德格拉夫（van de Graaff, 1901-1967）发明了高 压静电起电机，曾被用作正离子加速器或高穿透性X射线发生器的电源。高电压是相对于低电压而言的，对于电力系统来说，1kV以上至220kV称为 高压，而220kV至800kV称为超高压（EHV），1000kV以上称为特高压（UHV）。 就世界范围而言，输电电压等级经历了交流6、10、20、35、60、110、150、 220kV 的高压（HV），287、330、400、500、735765kV 的超高压（EHV），直至 1150kV的特高压（UHV）（工业试验线路）。与此同时，高压直流输电技术也得到了 快速发展，电压由+ 100、+250、+400、+500发展至+ 750kV。20世纪60年代 以来，为了适应大城市电力负荷增长的需要，以及克服城市架空输电线路走廊用电 的困难，地下高压输电发展迅速（由220、275、345千伏发展到400、500千伏电 缆和六氟化硫管道线路）；同时，为减少变电占地面积和保护城市环境，气体绝缘 金属封闭组合电器（GIS ）得到越来越广泛的应用。当前，我国的交、直流输电电 压已高达750kV和+ 500kV。由于我国国土辽阔，能源分布不均匀，动力资源和一 些负荷中心相距遥远，“西电东送”和“北电南送”必然成为我国21世纪的送电 格局，因此我国必将成为世界上少数几个发展1000kV及以上特高压（UHV）输电技 术的国家之一。绝缘是高电压技术及电气设备结构中的重要组成部分，其作用是把电位不等的 导体分开，使其保持各自的电位，没有电气连接。将具有绝缘作用的材料称为绝缘 材料，即电介质，电介质在电场作用下，有极化、电导、损耗和击穿等现象。高电压绝缘应用于国民经济的许多领域，其中最大量的是用于电力系统，随着 电力系统电压等级的进一步提高，有关电气设备绝缘的问题也日益重要。当作用电 压超过临界值时，绝缘将被破坏而失去绝缘作用。电力系统的发展，建立在对电介 质的电晕、放电、击穿现象、输变电设备及其绝缘、过电压的防护和限制、高电压试验技术，以及静电场、电磁场对环境的影响等 方面进行深入研究的基础之上，这些研究促使高电压与绝缘技术不断发展，并逐步 形成为一门学科。从20世纪60年代开始，高电压与绝缘技术加强了与其他学科的相互渗透和联 系，在不断吸取其他科技领域的新成果，促进了自身的更新和发展的同时，也使高 电压与绝缘技术方面的新进展、新方法更广泛地应用到诸如大功率脉冲技术、激光 等离子体、受控热核反应、原子物理、生态与环境保护、生物医学、高压静电工业 应用等科技领域，显示出强大的生命力。随着计算机、微电子、材料科学等新兴学科的出现，高电压与绝缘技术这门学 科的内容也正日新月异地得到改造和更新。当前，数据采集和处理，光电转换和新 型传感技术、计算机和微处理机等已大量应用于高电压测试技术；数字及模拟计算 机的仿真技术，随机信号处理和概率统计理论等也已进入系统过电压、绝缘和绝缘 水平与配合的领域，这些新兴理论和技术的应用将极大地推进高电压与绝缘技术学 科的发展。教学素材科学家简介发展简史常用软件返回主页