电力电子科学发展过程 (自然辩证法)

电力电子技术的科学发展

-自然辩证法

【摘要】

科学认识同其他认识一样，是在实践的基础上产生、形成与发展起来的，不同之处在于这个过程中人们创造并使用的科学认识方法。本文主要是以电力电子技术为基础，以其在科学上的发展为例，全面分析了电力电子技术发展的科学性，指出了科学问题的提出以及科学事实、科学实验、科学模拟和科学仿真形成的方法论在电力电子研究中的体现，使电力电子的学习、研究和实验验证阶段进一步走向理性化，最后简要介绍了电力电子技术的科学运用领域。

【关键词】科学认识电力电子技术仿真实验模型

一、科学问题与电力电子技术问题的提出

1科学认识从问题开始

科学认识是探索自然界奥秘的活动，它从提出问题开始。问题在科学认识的形成与发展过程中起着支配作用。确定了问题就确定了求解目标，预设了求解范围和方法。在科学研究中如果没有问题，科学也就停滞不前。

具体地说来，电力电子研究和探讨的四个基本领域是：电力电子器件、拓扑结构、调制方法以及控制方法。由于科技的高速发展，小功率低频率电子器件GTR、GTO、功率MOSFET已不能满足技术的基本需求，这时候问题出现了，有没有更优越的器件可以取代它呢？如果电子器件已经基本能够满足我们的需求，那有没有新的突破点进一步提高器件的效率呢？新的认识开始了。

2电力电子技术发展中问题的选择

自然现象变化多端、丰富多彩，人们可能提出形形色色、各种各样的科学问题。那么科学工作者应当如何选定科学问题作为自己的研究项目呢？选题就是选定一个科学问题来进行研究。科学选题是否得当在研究工作中十分重要，它关系到科研的目标、方法、水平和价值。

选题是在发现科学问题之后进行的，要对科学问题比较全面、深入的认识和理解为前提。在这个前提下，选题的考虑一般应当遵循四个原则：创新性原则、科学性原则、可行性原则、社会需求原则。电力电子技术一般从以上提到的四个方面的研究来提高其效率及使用价值。应以哪个方向为准来开展自己的研究呢，对于研究者来说，查阅大量的资料，了解前人的成就，分析其中的利弊，避免重

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复别人做过的事情和走过的弯路，吸取别人的先进思想并努力发扬，这样的研究成果才有创造性，才能提出新的观念，做出新的东西。查阅资料后了解电力电子技术之前的研究者在哪一方面有欠缺，是控制方面还是调制方面或者拓扑结构能否进一步优化呢？

之前提到的器件的发展，普通的电力管子不能满足需求了，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件大容量因其高频率、响应快、低损耗的优势出现了，这时候你就可以借用别人的成果，提高自己所设计电路的优越性，那么如果想有进一步的发展，该从何着手呢，还有其他三个方面，拓扑结构，调制方法，控制方法，这些都是可以提出创新的地方。

二、科学观察与科学实验

科学研究的目的之一是建立各种科学事实之间的联系，通过这种联系使我们能够根据那些已经认识的科学事实去预见以后发生的事实，这样才能发挥科学的解释力与预见力的功能。而科学事实获取主要是通过观察与实验，因此要获得可靠的、准确的科学事实，必须了解观察与实验的特点。

科学观察属于实践活动，在科学认识过程中，它既是接受外部信息、获取经验事实的基本方法，又是检验理论知识的基本手段，仅仅限于观察不能有突破性的进展，尤其对于学习工科研究者的来说借助于数学工具，电脑仿真软件是十分必要的。成熟的科学研究都要以坚厚的数学理论为基础，然后建立模型，通过数学模型实现对象的控制，这才是成熟的理论。这也属于科学观察的一个范畴。仅限于理论是不行的，实践才是检验真理的唯一标准。科学实践的规模和范围比生产实践小的多，并且是经过调查研究、实验设计，在精密的仪器帮助下进行的，因而可以用较少的代价获得较大、可靠的成果。

三、仿真实验模型

科学实验是随着科学与技术的发展而不断发展的，表现在实验手段和实验设备的不断改进，实验类型和方法的不断创新上。体现在电力电子技术中有matlab 中simulink仿真环境，还有电力电子控制模块DSP的出现，调制方法svpwm的发展。在当代科学的进程中，模拟方法发挥着原来越来越大的作用。

1模拟实验中的实物模型

实物模型是以自然界原有的或人工制造的材料，应用模拟方法设计出原型相

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似的模型。依据模型与原型之间相似关系的特点，可以分为物理模型、化学模型、生物模型和功能模型。此处主要用的是功能模型。功能模型是以控制论为理论基础、以模型与原型之间功能相似为目标的，对应的是功能模拟实验观察，在matlab的simulink仿真环境中，有些基本的电路模块，虽然与现实中的模型有差别，是理想模型，但用来做实验是没有问题的，如果想进一步验证使用DSP 最小系统然后连接上自己要研究的电路结构，可以验证实验数据的准确性。

2模拟实验中的数学模型

数学对于工科的学生来说是个强大的工具，只有数学理论完备，你的研究结果才能被人信服。思想模型是运用科学思维揭示出对象相似的模型。数学模型是最重要的思想模型，它是研究对象的数量关系、逻辑关系与空间形式的模拟。数学模型表现为一个或一组数学方程、一个或一组函数、一些几何图形和逻辑关系。对于设计好的电力电子拓扑结构，如何实现它的功能，朝着你希望的期望轨迹。我们需要找到它的控制算法，现在本专业主要采用的无源控制理论,无源控制理论是对非线性系统进行研究，从能量的角度入手，寻求与被控制量相关的能量函数，比如基于欧拉-拉格朗日方程（EL）的系统无源设计算法和基于哈密顿方程（PCHD）的无源设计的算法。这些数学模型都为控制提供了可行性，无源控制律可使能量函数按期望的能量函数分布，从而达到控制目的。

3计算机仿真模型

很多根据基本理论设计的电路拓扑结构、控制算法等，在运用之前都要经过多次试验与验证其数学模型是否能够达到预想的效果，如果直接采用实物进行实验，失败了会造成很多的浪费，也会花费大量的经费，借助于计算机的仿真给我们重复试验提供了可能。

数学模型多数要依赖电子计算机来求解，因而它常常被计算机仿真模型取而代之。仿真模型将原型的数学模型转变成能在计算机运行的仿真模型；编出仿真程序，运行仿真模型进行观察；分析实验结果，对原型做出评价。仿真模型的内容由数学模型决定，但通过运行仿真模型发现数学模型的错误时，也可修改数学模型。

电力电子技术专业应用比较多的计算机软件是MATLAB中的Simulink。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合

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分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统，为仿真提供了可靠环境。

四、科学应用

1 在电力系统中的应用

电力系统在通向现代化的进程中，是离不开电力电子技术的。高压输电是通过发电厂用变压器将发电机输出的电压升压后传输的一种方式。之所以采用这种方式输电，是因为在同输电功率的情况下，电压越高电流就越小，从而降低因电流产生的热损耗和远距离输电的材料成本。高压直流输电送电端的整流与受电端的逆变都是应用晶闸管变流装置，它从根本上解决了长距离、大容量输电系统无功损耗问题，为输电系统的输送过程提供了良好的保障。

2在交通运输中的应用

电气化铁路运输中也广泛采用了电力电子技术，电气机车中的直流机车就是采用整流装置来供电的，而交流机车则采用变频装置来供电，直流折波器和铁道车辆、磁悬浮列车中的电力电子技术更是关键技术的应用实例。新型环保绿色电动汽车与混合动力电动汽车都正在积极的发展中。汽车是靠汽油引擎的运行发展起来的一种机械，它排出大量的二氧化碳与其他废气，严重污染了环境。而绿色电动汽车的电机用蓄电池为能源，靠电力电子装置来进行电力变换与驱动控制，其蓄电池的充电也是离不开电力电子技术的。显然，未来电动汽车大有可能取代燃油汽车。船舶、飞机也需要各种不同要求的电源，所以航海、航空都离不开电力电子技术。

3在新能源发电中的应用

全球范围内的石油储量、煤储量都在逐渐减少，生态平衡也已经受到严重破坏，环境污染越来越严重，所以，现在世界各国都普遍关注新能源的应用。现有的新能源发电方法非常多，例如：地面的太阳能发电、卫星中的太阳能发电、地面上的风能发电、高空中的风能发电、地壳中的热能发电、岩浆中的热能发电、潮汐发电、波浪发电、海水温差发电、核聚变能发电等等。其中，通过太阳能光伏发电就在上海世博会中被充分利用。上海世博会上的太阳能发电项目不仅是中国目前规模最大、采用技术最多的一个光伏建筑一体化项目，同时也是世博会历史上太阳能发电技术的最大规模应用。太阳能发电系统的原理主要包括

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DC-AC逆变、DC-DC直流变换、 AC-DC整流等一系列的电力电子变换环节。电力电子技术给新能源发电提供了很好的支持。

4在电气节能中的应用

面对严峻的能源形势与环境挑战，我国适时提出了资源节约型与环境友好型社会的建设目标，把节约用电作为节约能源的一个主要手段。电力电子技术能有效支持电能储存、峰谷调剂，即不同时间用电电量的变化要求发电装机能力必须按最大负荷来准备，导致发电机的平均利用率降低很多，而利用电力电子技术可以把晚间不用的交流电整流为直流电，储存到蓄电池与大电容器并联的组合中，到白天需要电时，再利用电力电子技术把夜间所存储起来的直流电逆变为交流电，以满足用电需求甚至同电网并网一起使用，从而提高系统的热效率。五、电力电子技术科学的发展方向

当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电的结合。整个电力电子技术的发展都要秉着科学的态度，运用科学的方法论，科学的研究电力电子技术的改进与创新发展。

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