試論現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

張子午

湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430000

電子電力技術(shù)包括電力電子器件、變流電路和控制電路3部分，是以電力為處理對(duì)象并集電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的綜合性學(xué)科。電力技術(shù)是一門涉及發(fā)電、輸電、配電及電力應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)，電子技術(shù)是一門涉及電子器件和由各種電子電路所組成的電子設(shè)備和系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)，控制技術(shù)是指利用外加的設(shè)備或裝置使機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換就是電子電力技術(shù)的利用。在21世紀(jì)已經(jīng)成為一種高新技術(shù)，影響著人們生活的各種領(lǐng)域，因此對(duì)對(duì)電子電力技術(shù)的研究具有時(shí)代意義。

1 電力電子技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)電力電子技術(shù)是以低頻技術(shù)處理的，現(xiàn)代電力電子的發(fā)展向著高頻技術(shù)處理發(fā)展。其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，在不斷的發(fā)展中促進(jìn)了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用。電力電子技術(shù)在1947年晶體管誕生開(kāi)始形成，接著1956的晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志電力電子技術(shù)逐漸形成一門學(xué)科開(kāi)始發(fā)展，以功率MOS-FET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件的出現(xiàn)，表明已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電子電力技術(shù)發(fā)展時(shí)代。

1.1 整流器時(shí)代

在60年代到70年代被稱為電力電子技術(shù)的整流時(shí)代。該期間主要是大功率硅整流管和晶閘管的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。1948年的晶體管的出現(xiàn)引發(fā)了電子工業(yè)革命，半導(dǎo)體器件開(kāi)始應(yīng)用與通信領(lǐng)域，1957年，晶閘管的誕生擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件功率控制范圍，屬于第一代電力電子器件。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，?dāng)?shù)剞k硅整流器廠逐漸增多，大功率的工業(yè)用電由工頻（50Hz）交流發(fā)電機(jī)提供，其中電解、牽引、和直流傳動(dòng)是以直流形式消費(fèi)。

1.2 逆變器時(shí)代

20世紀(jì)70年到80年代期間成為逆變器時(shí)代，該期間的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)逆變，但是僅局限在中低頻范圍內(nèi)。當(dāng)時(shí)變頻調(diào)速裝置因?yàn)槟芄?jié)能大量普及，巨型功率晶體管（GTR）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）和大功率逆變用的晶閘管成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主流。它們屬于第二代電力電子器件。

1.3 變頻器時(shí)代

進(jìn)入80年代，功率MOSFET和絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）的問(wèn)世，電力電子技術(shù)開(kāi)始向高頻化發(fā)展，高壓、高頻和大電流的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件為第三代電器元件的大規(guī)模集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，他們的性能更進(jìn)一步得到了完善，具有小、輕和高效節(jié)能的特點(diǎn)。

1.4 現(xiàn)代電力時(shí)代

20世紀(jì)以來(lái)，電力電子作為自動(dòng)化、節(jié)材、節(jié)能、機(jī)電一體化、智能化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、產(chǎn)品性能綠色化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化的現(xiàn)代化方向發(fā)展。在1995年，功率MOSFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件出現(xiàn)并廣泛被人們應(yīng)用，功率器件和電源單元的模塊化，使用方便，縮小整機(jī)體積，器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。電子電力技術(shù)具有全控化、電路形式弱電化、集成化、高頻化和數(shù)字化的特點(diǎn)。更能帶來(lái)節(jié)能、節(jié)省材料和減少污染的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，能控制精度高、避免模擬信號(hào)的畸變失真，減小雜散信號(hào)的干擾，改善了工作條件。

2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用

2.1 工業(yè)領(lǐng)域

在工業(yè)中，大部分都使用的是交直流電動(dòng)機(jī)。例如數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)、軋鋼機(jī)和礦山牽引、大型鼓風(fēng)機(jī)等等都采用電子交直流技術(shù)。在大量的冶金工業(yè)中的高頻和中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源也大量的采用電力電子技術(shù)。在水里電廠蓄能機(jī)組中，大型機(jī)組工作狀態(tài)的調(diào)速好改變也采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)的變流裝置，當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，將下游的水抽到水庫(kù)，儲(chǔ)存能量，以調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的供電量。

2.2 交通運(yùn)輸

交通業(yè)的發(fā)展也離不開(kāi)電子電力技術(shù)，電氣機(jī)車中的交流機(jī)車和直流機(jī)車分別采用變頻裝置和整流裝置，車輛中的各種輔助電源都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。特別是飛機(jī)、船舶需要更多不同種類的電源，他們的運(yùn)輸就更需要電力電子技術(shù)的支持。電梯也開(kāi)始使用交流變頻調(diào)速，鐵道車輛運(yùn)用了直流斬波器，火車將由PWM逆變交流牽引系統(tǒng)取代原來(lái)的直流系統(tǒng)。磁懸浮列車也是同樣采用電機(jī)傳動(dòng)，超導(dǎo)磁浮鐵道系統(tǒng)為各先進(jìn)國(guó)家關(guān)注的熱點(diǎn)。一旦成功，將使火車時(shí)速高達(dá)500km。這將大大提高運(yùn)力，緩解交通運(yùn)輸對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約。地鐵、輕軌車及機(jī)車牽引，已是電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.3 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)

通過(guò)電力電子技術(shù)對(duì)電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，據(jù)預(yù)測(cè)，以后絕大部分電源都要經(jīng)過(guò)電力電子技術(shù)處理后使用，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)的支撐下，改善了勞動(dòng)的惡劣環(huán)境，把工人帶入到現(xiàn)代化的智能工作室，使得傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的勞動(dòng)力強(qiáng)度有所降低，工作效率提高，進(jìn)而改造了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。特別當(dāng)應(yīng)用于化石燃料電站和核電站中的時(shí)候，電力電子技術(shù)的能良好的控制其存在的安全隱患與環(huán)境污染。

2.4 家用電器

現(xiàn)代化電力電子技術(shù)以全控型新器件及各種PWM電路為代表，廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)，交流電氣牽引及家用電器等領(lǐng)域。人們開(kāi)始享受到了電力電子技術(shù)帶來(lái)的恩惠。電視機(jī)、電冰箱、微波爐、電子計(jì)算機(jī)、洗衣機(jī)、電熱水器等都是應(yīng)用電力電子技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。例如高頻熒光燈比白熾燈效率高2倍～3倍，變頻空調(diào)器的使用就能節(jié)約30%的電能。電力電子技術(shù)使得家用電器日益向智能化發(fā)展，使人們享受科學(xué)技術(shù)帶來(lái)的美好享受。

3 結(jié)論

電力電子技術(shù)是智力、信息、知識(shí)密集型技術(shù)，其耗能低，污染少，展望電子電力技術(shù)的前景，電子電力技術(shù)將會(huì)跟隨時(shí)代的腳步不斷的創(chuàng)新，更高更好的新技術(shù)必將開(kāi)拓更廣的領(lǐng)域，其良好的運(yùn)用將很好的促進(jìn)我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)。

[1]王素芹.電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009.

[2]趙爭(zhēng)鳴.電力電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展熱點(diǎn)綜述[J].變頻器世界，2010.