电力电子技术发展的哲学思考.doc

电力电子技术发展的哲学思考摘 要：电力电子技术是建立在电力学、电子学及控制学基础上的一门新型交叉学科。在过去的数十年间，伴随着新的材料和结构器件的出现，电力电子技术获得了飞速的发展，且在各行各业中得到了广泛的应用。其发展历程也揭示出大量新的现象和规律，尤其是非线性混沌现象的发现，促进了电力电子学科理论的发展，也丰富了人们的哲学认识。本文通过对电力电子技术发展过程的分析，揭示了电力电子学中的非线性现象所蕴含的若干哲学问题，论证了电力电子技术的发展过程反映了马克思主义的实践观和方法论。关键词：电力电子技术；发展过程；哲学问题；马克思主义0 引言能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。随着经济的快速增长和社会的全面进步，能源的供应和环境污染问题越来越突出，开发和利用新的能源的需求更加迫切。近年来，有关新能源利用方面的技术得到比较好的发展。而其中电力电子技术和能源的发展息息相关，在用电方面通过运用电力电子技术到电力传动中，通过变频等技术，在用电端实现高效节能；在发电端，通过电力电子技术中的逆变技术，实现风力发电和光伏发电的并网，使得新能源得到更好地利用；电力传输方向上，通过电力电子技术的运用，使传统的工频交流输电向高压直流输电（HVDC）技术发展。因此，能源利用问题很大程度上就是电力电子技术发展问题。电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展起来的一门崭新的技术。它是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，又称为电源技术。电力电子技术是电气工程、电子科学以及控制科学交叉产生的一门学科，是电气工程领域目前最具活力和最有发展前景的新型交叉学科，正处于蓬勃的发展时期。现代电力电子技术是21世纪各国竞相发展的强国兴邦技术之一，随着与微电子技术的不断融合，其应用范围日益广泛，并且有向各行业渗透的趋势，电力电子技术必将为现代信息化社会对高供电质量的需求和能源可持续发展战略做出巨大贡献。电力电子技术与我们的生活息息相关。现代通信、交通运输、家用电器、计算机技术、智能电网、空间技术等都要用到电力电子技术。电力电子技术对节省电能具有重要意义，特别在变频调速，绿色电力和照明电源方面节能效果十分显著。随着经济和社会的发展，电力电子技术必将为建设创新型、节约型社会发挥更大作用。总之，从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力1。电力电子技术作为信息产业与传统产业之间的桥梁，将在非常宽广的领域内对传统产业的改造、高新技术的发展起到不可替代的巨大作用。因此，电力电子技术将在国民经济中扮演着越来越重要的角色。同时，作为现代高科技领域的一门重要学科，电力电子技术在自身发展的同时也促进了相关学科的发展。电力电子技术的发展过程不但揭示了若干哲学问题，也反映了马克思主义的实践观和方法论。1 电力电子技术发展概述电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。电力电子技术的发展大致经历了晶闸管时代、逆变器时代和现代电力电子时代。电力电子技术是一门联系电力和电子的学科，电力电子技术为电能的产生和利用搭起了桥梁，为电能的输出、应用提供了更好的方式和平台，电力电子技术从根本上提高了电能的应用效率。电力电子技术在上个世纪的七十年代时有了一个质的发展，晶闸管产品逐步完成了从低压小电流到高压大电流的过度，并在晶闸管的基础上开发了不能自关断的半控型器件，这就是第一代的电力电子器件，它是电力电子技术历史上的一座里程碑。电力电子技术的研究水平不断进步，制造工艺水平也不断提高，电力电子器件也随之有了更大的发展，获得了又一次的飞跃。电力电子技术的进步代表是自关断全控型第二代电力电子器件。电力电子技术在上个世纪的九十年代有了更进一步的发展，电力电子器件在大频率、低损耗、快响应方面有了更好表现，电力电子技术向着复合化、标准模块化、智能化、功率集成化方向发展，形成了电力电子的正式技术理论，形成了一个新的高科技领域。变频调速的普遍应用，电动汽车、航空航天等一直是电力电子技术发展的推动力。目前所有的能源中，电力方面的能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。其中55%以上是在马达和马达控制方面，20%是照明方面。在这两个主要项目里，电力电子能产生很大的作用，如果用很好的电力电子技术去转换，人类最少可节省约1/3的能源。目前，这1/3的能源相当于840个发电厂发出的电能。由此可以看出，电力电子与环保密切相关，是环保的重点之一。预计十年后，电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在二十一世纪将起到更大作用2。电力电子技术的理论发展一直滞后于其实际应用。电力电子学科的理论来源于实践，来源于工业应用。由于电力电子系统是一类非线性系统，而非线性理论的发展滞后于线性理论，人们研究电力电子系统时总是试图将其线性化，然后用线性理论来解决，但这种线性化方法并非在任何时候都是有效的。电力电子系统实际工作中出现的一些奇异的噪声、振荡等复杂现象，当用已有的线性理论无法解释时，非线性理论就显得尤为重要。因此电力电子技术的发展过程推动了电力电子学科理论特别是非线性理论的发展。 2 电力电子系统中非线性现象的哲学思考电力电子学科所研究的系统是一类确定的非线性系统，其中存在丰富的非线性现象。20世纪80年代中期开始，在电力电子系统中陆续发现了一系列非线性现象，如振荡、分岔、混沌等。在宏观动力学领域，人们一直认为确定性系统只能产生确定性运动。而混沌现象被发现之后，人们意识到：确定性系统也会产生不确定的行为，不确定系统也会产生有序行为。电力电子学科中非线性混沌现象的研究和发现，丰富了非线性科学的内涵，引起了许多值得关注的哲学问题，扩大了人们对规律性的认识，丰富和发展了辩证法思想。2.1对拉普拉斯决定论的冲击混沌学告诉我们，虽然牛顿力学系统是属于确定性的，但它却存在着内在随机性；动力学系统作有规律的运动只是极其个别的，而混沌倒是自然界的一种普遍运动形式。这就从根本上动摇了拉普拉斯自然观的自然科学基础。因此，混沌学家福特说：“相对论消除了关于绝对空间与时间的幻象；量子力学则消除了关于可控测量过程的牛顿式的梦；而混沌则消除了拉普拉斯关于决定论式可预测的幻想。”32.2引起自然观的变革非线性科学说明世界本质上是非线性的，它所揭示出来的一些新的事实和规律，必然对自然观产生重大影响。电力电子系统作为一个实际的非线性系统，其所呈现的混沌现象揭示出确定论系统存在着内在随机性。混沌是自然界的一种普遍运动形式，而我们原先的哲学没有反映具有普遍性的混沌运动的规律。如何根据非线性科学的成果概括出新的自然观便成为一个哲学问题。2.3扩大对规律性的理解以往的哲学教导我们，物质运动是有规律的。存在着有序态和无序态这两种状态。电力电子系统能够工作在有序态，无序态，还能工作在混沌态，不限于此，更多的非线性现象表明，自然界还存在着过渡性的第三种被称作混沌序的状态。既然混沌是自然界的一种普遍运动形式，就说明混沌序比我们平常所理解的有序更普遍。因此，混沌序不仅扩大了我们对物质运动规律性的认识，而且将促使我们重新审查对规律概念本身的理解。2.4丰富和发展辩证法思想 电力电子系统是一个动力学系统，其中出现的混沌动力学现象充满着辩证法思想，它对于丰富和发展唯物辩证法会起到重要作用4。首先，混沌动力学揭示出在确定论系统的演化过程中存在着内在随机性，它与外在随机性既有联系又有区别。对混沌学的研究使我们认识到：随机性除了外在随机性外，还存在着内在随机性;它们在一定条件下可以相互转化。其次，工作在混沌态的电力电子变换器证实了实际确定性系统的确存在着内在随机性。哲学上，一般是通过统计规律性来理解“必然性通过大量偶然性表现出来”这个命题的。混沌学提供了偶然性表现必然性的一种新形式。混沌就其不可预测性来说，是一种随机的、偶然的，但就其空间的有序结构而言，它又是确定的、必然的。因此，混沌序列所表现出来的必然性并不是通过统计规律性表现出来的，而是其自身直接呈现出一种规律性。再次，电力电子技术研究中经常涉及到变换器的稳定和不稳定问题。作为一个非线性系统，其混沌运动所产生的奇怪吸引子，表现出在其周围的轨道总是要向它靠拢，而呈现出系统的运动在整体上的稳定性；但是，一旦轨道进入奇怪吸引子后，又产生复杂的伸拉、扭曲、折叠的过程，因此，就具体轨道来看，它又是不稳定的。产生这种整体的稳定性与局部的不稳定性的原因是：系统的确定性使得其运行轨道服从确定性的规律，所以表现出整体的稳定性；但是，由于混沌运动具有对初始条件的敏感依赖性，使得不同初始值确定的具体轨线表现出个体的不稳定性。所以，稳定与不稳定是相对立的，但它们又共处于奇怪吸引子这个统一体之中。3 电力电子技术的发展反映马克思主义实践观电力电子技术的出现，不仅是交叉学科在电气工程领域的又一次展示，而且其发展过程也反映了人类认识和改造自然的一般规律：理论源于并指导实践，实践检验并推动理论的发展。电力电子技术是一门实践和理论相统一的学科。3.1 电力电子技术是理论与实践的统一电力电子技术是为适应电力变换和电力控制的需要而产生的，是在实践过程中发展起来的一门技术。同时，作为一个学科，其基础理论发展一直落后于实际应用。但正是理论的逐步发展才使得它能够作为一个学科建立起来，也为电力电子技术提供了理论支撑。电化学工业，铁道电气机车，钢铁工业，电力工业的迅速发展有力地推动了电力电子技术的发展。一直到20世纪70年代，它才有了自己相对独立的理论。也就是说，电力电子成为一个学科的时间，晚于它作为一门工程技术的时间。 实践是人类认识自然、改造自然的活动，而理论的产生正是源于人类的实践活动。认识自然和改造自然活动的过程，同时也是人自身的认识和改造的过程。实践是人在对人和自然客观认识的基础上合目的性的活动，人通过实践活动将人的主体性和本质力量对象化到物质客体之中。电力电子变换器作为一种人工自然物，其出现本身就反映了人类有目的改造自然的过程。实验，作为科研活动中一种独特的实践活动，在电力电子学科中有着很重要的作用。电力电子学科的研究一般要经过建模，仿真，实验三个阶段。建模属于理论分析，要用到电力电子学和控制学的相关理论；仿真是对理论分析的初步检验，也是为下一步实验打下基础；实验是对理论分析的检验，更接近实际应用。这三个阶段是统一整体。虽然这种研究方法不是电力电子所特有的，但对于电力电子这个还在发展过程中的新型学科来说，具有更深层的意义。人们在实际利用电力电子变换器的过程中发现了丰富的非线性现象，而且这些现象有时会影响系统的稳定运行。当现有理论不能很好的解释这些现象时，新理论的出现就成为一种可能和必要。 总的来看，电力电子技术的理论与实践相互联系，相互影响，互相促进。所以说电力电子技术是理论与实践相统一的产物。3.2 电力电子技术的发展反映马克思主义实践观电力电子技术是随着人类实践活动的发展而发展起来的一门实践性很强的学科。马克思主义实践观以人的物质性活动为基础，具有直接现实性的特点。实践是主客体之间沟通的桥梁和中介。在电力电子技术发展的过程中，电力电子变换器就是人们实践活动的一个媒介或工具，它灌输了主体人的需要、目的和本质力量，而按照自在世界本身的运动它却是一个不可能产生的事物。实践是认识的来源，是认识发展的动力，是认识的最终目的。认识是在实践基础上主体对客体的能动的反映。在电力工业的发展过程中，人们认识到从发电厂发出的电往往不能直接利用，需要经过相应的变换，基于这种认识，人们塑造出了符合主体需要的电力电子器件和变换器系统，于是电力电子技术应运而生。电力电子器件和变换器是人们根据需要在不断的实践活动中创造出来的一个对象，它在实践中不断完善，随着人们认识水平的提高而不断得到改进和发展。这恰是人们一种能动的创造性的反映活动。马克思主义实践观，有着严密而完整的科学体系，由于它以客观事实为依据,始终以开放的姿态面对实践、付诸实践，在实践中接受检验，不断地丰富和发展，因而没有也不可能过时。电力电子技术的发展过程也证明了这一点。4 结论当今世界，科学技术的发展突飞猛进，日新月异。作为信息产业与传统产业之间的桥梁，电力电子技术在改造传统产业、支持高新技术发展方面正发挥越来越大的作用。电力电子技术的发展过程，以及其中非线性混沌现象的发现，证实和丰富了辩证唯物主义世界观的若干基本观点，对辩证唯物主义的进一步发展起到了推动作用。本文通过电力电子技