電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用

安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 芳

電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用

安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 芳

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系完善，我國(guó)行業(yè)都取得了跨越式的發(fā)展，各工程項(xiàng)目已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)總收入的重要組成部分。在電氣工程中，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，將電力電子技術(shù)科學(xué)、高效的應(yīng)用在電氣工程中，不僅可以提高運(yùn)行效率，更能促進(jìn)電氣工程持續(xù)健康發(fā)展，對(duì)電氣工程來說具有重要的作用。本文將圍繞電力電子技術(shù)的內(nèi)涵和發(fā)展現(xiàn)狀，以及在電氣工程中的具體應(yīng)用展開分析，并提出電力電子技術(shù)在電氣工程中應(yīng)用的優(yōu)化策略。

電子電力技術(shù)；電氣工程；應(yīng)用

近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步和發(fā)展，電力電子技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用范圍愈加廣泛，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域。電力電子技術(shù)就是利用電子設(shè)備及電子技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和控制，實(shí)現(xiàn)了弱電子控制強(qiáng)電力的一種新興技術(shù)。在電氣工程中，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為必不可少的一部分，在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用更加突顯其優(yōu)勢(shì)，不僅提高了電能生產(chǎn)與利用、轉(zhuǎn)換等方面的效率，起到節(jié)約能源的作用，更能增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)各領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

1 電力電子技術(shù)的概述

電力電子技術(shù)是一種新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，主要是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換和控制的技術(shù)[1]，其中電力電子器件包括閘管、GTO（高斯型軌道）、IGBT（大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件）等。電力電子技術(shù)多轉(zhuǎn)換的電能功率小到1W或是1W以下，達(dá)到兆瓦甚至是千兆瓦，與信息電子技術(shù)不同之處是電力電子技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換，而信息電子技術(shù)主要是處理相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

電力電子技術(shù)根據(jù)實(shí)用功能可分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個(gè)部分[2]，變流技術(shù)的內(nèi)容包括整流、逆變、斬波、變頻等。目前，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中主要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才起到關(guān)鍵性作用。

電力電子技術(shù)的涵蓋范圍比較廣，包括電子學(xué)、電工原理以及自動(dòng)控制三大學(xué)科，因其大功率的特點(diǎn)，通常服務(wù)于強(qiáng)電工業(yè)，也屬于電工類學(xué)科。電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容包括電子器件、電力電子電路與電力電子裝置以及對(duì)應(yīng)系統(tǒng)。電力電子器件基于半導(dǎo)體材料，常用材料為單晶硅，所以說電力電子器件是以半導(dǎo)體物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，以半導(dǎo)體器件工藝為主要工藝技術(shù)。近幾年，隨著高端科技的發(fā)展，微電子學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電力電子器件中，因此，現(xiàn)如今的電力電子技術(shù)良好繼承了電子學(xué)的理論基礎(chǔ)，結(jié)合電力電子器件的特點(diǎn)以及電能轉(zhuǎn)換的基本要求，成功的開發(fā)出多種電能轉(zhuǎn)換電路[3]，例如控制、觸發(fā)、顯示、保護(hù)、信息處理等二次回路以及外圍電路，再將這些電路應(yīng)用于不同領(lǐng)域中，進(jìn)而組成了多種用途的整機(jī)，也被叫做電力電子裝置，然而將這些裝置與負(fù)載、配套設(shè)施等構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)。電力電子技術(shù)的主要作用包括優(yōu)化電能使用、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)機(jī)電設(shè)備向高頻化方向發(fā)展以及電子技術(shù)改革。

2 電力電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程

眾所周知，晶體管的出現(xiàn)標(biāo)志著固態(tài)電子時(shí)代的到來，可以說晶閘管的誕生意味著電子技術(shù)將奔向更高的發(fā)展軌道。近幾年，隨著各種高端技術(shù)不斷涌現(xiàn)，電力電子技術(shù)得到了發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣泛。回顧電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程，可以總結(jié)出電力電子技術(shù)經(jīng)歷了晶閘管時(shí)代、逆變時(shí)代和變頻時(shí)代三個(gè)階段。

首先是晶閘管時(shí)代，晶閘管時(shí)代也叫作晶閘管整流時(shí)代，在上世紀(jì)六十年代和七十年代中取得了較為優(yōu)異的成績(jī)。在當(dāng)時(shí)主要是用過50HZ的交流發(fā)電機(jī)為工業(yè)生產(chǎn)提供大功率服務(wù)，而直流供電僅占一小部分。當(dāng)代，我國(guó)諸多電廠為滿足工業(yè)生產(chǎn)供電需求，急需將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，因此，大功率的晶閘管和硅整流器順勢(shì)而生，可以從根本上解決直流電的供電需求，從此便進(jìn)入了晶閘管整流時(shí)代[4]。

其次是逆變時(shí)代，在上世紀(jì)七十年代后，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的能源危機(jī)，人們對(duì)節(jié)約能源越加關(guān)注，國(guó)家為緩解能源危機(jī)，制定了節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，未響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，工業(yè)生產(chǎn)常使用交流電機(jī)。在此背景下，自關(guān)斷器件得到開發(fā)和利用，隨之進(jìn)入電力電子技術(shù)的逆變時(shí)代。逆變就是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，可以有效節(jié)約能源，提高工業(yè)生產(chǎn)效率，其中就包括GTO、GTR以及大功率逆變晶閘管。

最后是變頻器時(shí)代，在逆變時(shí)代中，雖然有效的將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，實(shí)現(xiàn)了電流的逆變的整流，但相對(duì)來講，逆變的工作效率較低，無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的供電需求，繼而在上世紀(jì)八十年代后期，為提高電力供電效率，集成電路應(yīng)運(yùn)而生。集成電路可以將高壓大電流技術(shù)和經(jīng)濟(jì)加工技術(shù)完美融合，從此進(jìn)入電力電子變頻器時(shí)代，電力電子技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。在此時(shí)期，電力電子器件所處的環(huán)境越加復(fù)雜，各器件的結(jié)構(gòu)也隨之越來越緊密，功能越來越強(qiáng)大，這也標(biāo)志著電力電子技術(shù)未來應(yīng)朝著高頻化的方向發(fā)展。

3 電力電子技術(shù)應(yīng)用在電氣工程中的重要意義

電力電子技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電能間互相轉(zhuǎn)換的這一功效，因此，電力電子技術(shù)不僅可以提高電氣系統(tǒng)的工作效率以及強(qiáng)化電氣系統(tǒng)的自控能力，更能提升電氣系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，以便更好的服務(wù)于強(qiáng)電工業(yè)，對(duì)電氣工程具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，電力電子技術(shù)可以有效提高電氣系統(tǒng)的自動(dòng)智能化程度。電力電子器件的不斷開發(fā)和應(yīng)用為電力電子技術(shù)提供了更為廣闊的發(fā)展空間，有效促進(jìn)了電氣系統(tǒng)向自動(dòng)智能化方向發(fā)展，而模糊控制和智能化控制的飛速發(fā)展又為電力電子器件的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二，電力電子技術(shù)可以增加經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5]。由于電力電子技術(shù)的大功率特點(diǎn)，可以有效提高電力電子器件和電氣系統(tǒng)的工作效率以及電能轉(zhuǎn)換效率，還可以節(jié)約資源和能源，更能為公眾提供安全、可靠的電力資源，可以說對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兩方面具有深遠(yuǎn)的意義。第三，電力電子技術(shù)的應(yīng)用不僅可以在技術(shù)方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，更能為企業(yè)發(fā)展提供完善的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和管理模式。電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，刷新了企業(yè)管理者的發(fā)展觀，不僅為企業(yè)發(fā)展提供先進(jìn)的技術(shù)支持，更能重新審視企業(yè)運(yùn)行的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和管理模式，為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，企業(yè)管理者不得不制定符合時(shí)代特征的管理模式，開發(fā)新型產(chǎn)業(yè)，從而為企業(yè)持續(xù)發(fā)展提供充足保障。

4 電力電子技術(shù)在電氣工程中的具體應(yīng)用

晶閘管是電力電力器件發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)電氣工程發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。隨著電力技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷完善，交流變頻技術(shù)逐漸被推廣應(yīng)用，而作為第一代電力電子器件，半控型晶閘管已經(jīng)無(wú)法跟上現(xiàn)代化電氣系統(tǒng)發(fā)展的腳步，自此，第二代全控型電力電子開關(guān)得到開發(fā)和應(yīng)用，主要包括CTR、GTO、P-MOSEFT（電壓驅(qū)動(dòng)器件）等，主要是為了使各種器件能夠更好適應(yīng)各個(gè)電流、電壓額等電氣系統(tǒng)。第二代全控型電力電子開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中較大的控制電流予以支撐，這也為電流的控制增加了不小的難度。其中MOSEFT作為一種電壓驅(qū)動(dòng)器件，不僅對(duì)驅(qū)動(dòng)電力沒有太大的要求，更能提高器件的開關(guān)速度，使器件在安全工作區(qū)可以穩(wěn)定、順暢運(yùn)行。然而，MOSEFT的同臺(tái)電壓額會(huì)隨著額定電壓的增高而加倍增高，限制了P-MOSEFT的發(fā)展。因此，為適應(yīng)各種器件的運(yùn)行需求，新一代復(fù)合型電力電子器件IGBT和MGT順勢(shì)而生，其中IGBT具有高輸入阻抗、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的的特性，與MOSEFT不盡相同，另一方面，還具有與GTR相同的大電流面密度特性，是一種混合型器件[6]。相比第一代和第二代電力電子器件來講，新一代復(fù)合型電力電子器件IGBT和MGT以其高效的開關(guān)速度、較低的通態(tài)電壓和寬且穩(wěn)的運(yùn)行效率以及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在電氣系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，更加符合現(xiàn)代化電氣工程對(duì)電力器件的根本需求。新一代復(fù)合型電力電子器件，在機(jī)械復(fù)合化技術(shù)的支持下，無(wú)論是生產(chǎn)規(guī)模還是推廣力度都在不斷擴(kuò)大和加強(qiáng)，在電力電子器件復(fù)合化發(fā)展的同時(shí)，深入推進(jìn)電力電子器件向模塊化方向發(fā)展對(duì)其未來更為關(guān)口的發(fā)展空間提供更多可能。

隨著電力電子器件的不斷完善和進(jìn)步，為更好適應(yīng)電力電子器件的需求，由電力電子器件構(gòu)成的變換器電路也隨著不斷更新和完善，原有的變頻器電力基本上無(wú)法滿足新一代電力電子器件的需求[7]。而諧奪式直流環(huán)逆變器可以從根本上滿足新一代電力電子器件的需求，不僅能夠降低開關(guān)運(yùn)行的電能損耗，提高開關(guān)效率，而且將年便器放在高頻振蕩過零的諧振電路上，還能夠使電子器件在零電壓或零電流的情況下進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換。因此，加強(qiáng)變頻器電流從低頻向高頻方向發(fā)展，對(duì)電氣工程具有至關(guān)重要的作用，不僅可以節(jié)約能源，降低企業(yè)成本，還能促進(jìn)電力系統(tǒng)走向集成化發(fā)展的道路上，發(fā)展前景關(guān)闊。

近幾年，隨著電氣系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對(duì)交流雕塑控制理論的研究越加深入，研究的目的是為了將復(fù)雜的適量變化和電動(dòng)數(shù)學(xué)模型的處理簡(jiǎn)單化。研究的主要內(nèi)容針對(duì)交流調(diào)速控制理論的獨(dú)特性和創(chuàng)造性，以及控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、手法直接等方面，明確了信號(hào)處物理的概念，具有轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、提高調(diào)速效率等作用，成功打破了傳統(tǒng)交流調(diào)速方式，符合現(xiàn)代化電氣自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的要求[8]。

在變頻技術(shù)日趨成熟的基礎(chǔ)上，高靜態(tài)性能矢量控制性開始被公眾認(rèn)可，并開始大量投入生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中。高靜態(tài)性能矢量控制性主要是利用全數(shù)字控制和相關(guān)軟件對(duì)電氣系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)化設(shè)定和智能化操作，以便提高變頻器的變頻結(jié)構(gòu)控制盒的自適應(yīng)控制能力[9]。在社會(huì)飛速發(fā)展的今天，各種先進(jìn)的技術(shù)手段不斷涌現(xiàn)，與人們生活、工作之間的聯(lián)系越加緊密。在電氣工程中，基于單片機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，變頻器運(yùn)行的高效性、可控性、可維修性等一系列功能得到充分挖掘，并且不斷提高，對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

結(jié)束語(yǔ)

綜上，電力電子技術(shù)的一系列研究對(duì)于電氣工程的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。通過分析電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用，我們可以總結(jié)出，這項(xiàng)技術(shù)能否更穩(wěn)更快的發(fā)展對(duì)于電氣工程起到?jīng)Q定性的作用。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)充分掌握該項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)、操作技巧和涵義，才能在實(shí)際應(yīng)用中充分發(fā)揮電力電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，更好的服務(wù)于強(qiáng)電工業(yè)，不斷探索更加符合社會(huì)發(fā)展需求的技術(shù)方法，為電氣工程持續(xù)健康發(fā)展提供可靠的技術(shù)保障。

[1]辛自愿．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2016(27)．

[2]李敏．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．通訊世界,2015(23)．

[3]劉飄羽．關(guān)于電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．科學(xué)與財(cái)富,2016(7)．

[4]許志偉,黃雪原．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．大科技,2016(6)．

[5]郁瑾．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．城市建設(shè)理論研究(電子版),2015(30)．

[6]王曉明．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．裝飾裝修天地,2016(13)．

[7]胡欣然,張海濤,劉洋等．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．山東工業(yè)技術(shù),2016(13)．

[8]胡潤(rùn)華．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用[J]．建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(12)．

[9]邸景立．電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用淺談[J]．建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(13)．

王芳（1971—），女，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事電氣自動(dòng)化教學(xué)研究。