現(xiàn)代電力電子技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

雷靖華

（煙臺東方威思頓電氣有限公司，山東 煙臺 264003）

隨著社會的發(fā)展，人們對于電力的需求越來越多，電能已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的能源。電子信息化技術(shù)改變了傳統(tǒng)的電力技術(shù)，讓電力技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，為其發(fā)展拓展了電力系統(tǒng)的新領(lǐng)域。例如，現(xiàn)在電力電子技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到能源、環(huán)境、制造業(yè)等領(lǐng)域中。電力電子技術(shù)伴隨著信息技術(shù)而進(jìn)步，信息技術(shù)的發(fā)展也為電力電子技術(shù)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代、變頻器時(shí)代，技術(shù)日臻完善趨于成熟，其應(yīng)用是電力系統(tǒng)的一次重大改革，對其發(fā)展歷程進(jìn)行研究有助于加強(qiáng)其在電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用，改善人們生活方式，提高人們的工作效率。

1 電力電子技術(shù)及其特點(diǎn)

電力電子技術(shù)涵蓋了電力電子元件的制造與變流技術(shù)，制造技術(shù)是基礎(chǔ)構(gòu)成，變流技術(shù)是核心構(gòu)成。電力電子技術(shù)并不是單純的電子技術(shù)，而是結(jié)合了電子學(xué)、電力學(xué)、控制理論3個(gè)方面的知識，推動電力系統(tǒng)的發(fā)展。就理論基礎(chǔ)而言，電力電子器件的制造技術(shù)和電子信息化的電子器件制造技術(shù)是一樣的，工藝也非常類似，在電力學(xué)中有著十分廣泛的運(yùn)用，電力學(xué)與電力電子技術(shù)關(guān)系密切?？刂评碚撛陔娏﹄娮蛹夹g(shù)中的應(yīng)用，使得電力電子技術(shù)更進(jìn)一步地滿足了人們的生活需求[1]。電力電子技術(shù)的特點(diǎn)主要是以下幾個(gè)方面：

（1）全控化。傳統(tǒng)的電力電子器件主要是半控型普通晶閘管，現(xiàn)在的電力電子主要采用的是各類自關(guān)斷器件，能夠有效實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)的全控化。同時(shí)，各類自關(guān)斷器件還能夠使得相對復(fù)雜的電路簡單化，提高電力電子的實(shí)用性，改變了整個(gè)電力系統(tǒng)的控制模式，增強(qiáng)了電力電子技術(shù)在電力領(lǐng)域的實(shí)用性和方便性。各種控制器并不是獨(dú)立存在，而是并聯(lián)在一起的，集成在一個(gè)基片上，實(shí)現(xiàn)了電力電子技術(shù)的集成化。

（2）高頻化。以集成化為基礎(chǔ)，主要是指電力電子技術(shù)的工作速度和工作強(qiáng)度。高效率化與高速度之間是相互聯(lián)系的，只有電力電子技術(shù)高速度化，才能實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)的高效率化，也體現(xiàn)在能量的損耗上，由于傳統(tǒng)的電力器件相對復(fù)雜，導(dǎo)致電能量在運(yùn)輸過程中具有損耗。電力電子器件開關(guān)的上升和下降都非?？?，明顯地減少了開關(guān)損耗。

（3）變換器小型化。使元件朝著高頻率化發(fā)展，控制電路的高度集成化與微型化導(dǎo)致濾波電路與控制器的體積顯著減少。電力電子的元件構(gòu)成也實(shí)現(xiàn)了主電路體積的大幅縮減，使得變換器小型化。電力電子技術(shù)的特點(diǎn)也是電力電子技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)[2]。

2 電力電子技術(shù)的發(fā)展過程

電力電子技術(shù)技術(shù)誕生的標(biāo)志是1957年美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管。電力電子技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)過了電力電子技術(shù)的前期、晶閘管時(shí)期、全控型器件時(shí)期。當(dāng)然，不同的人對于電力電子系統(tǒng)的認(rèn)識是不同的，一般情況下，電力電子發(fā)展過程主要是包括以下幾個(gè)方面。

2.1 電力電子技術(shù)的前期

電子技術(shù)開始于電子管，電子管能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行控制，在通信和無線電中具有重要的作用。電力電子技術(shù)的前期主要是傳統(tǒng)的電子技術(shù)，傳統(tǒng)的電子技術(shù)元器件組成相對復(fù)雜，但是促使了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的電子技術(shù)雖然相較于現(xiàn)代的電力電子技術(shù)來說相對落后一些，但在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是非常先進(jìn)的了。特別是1947年，聞名全球的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，帶來了電子技術(shù)的革命風(fēng)暴，隨后各種先進(jìn)技術(shù)和器件的涌現(xiàn)，促進(jìn)了電力電子技術(shù)飛躍地發(fā)展。

2.2 晶閘管時(shí)期

在晶閘管之前主要采用的是水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變機(jī)組，與之相比，晶閘管具有優(yōu)越的電氣性能和控制性能，擴(kuò)大了電子技術(shù)的應(yīng)用范圍。晶閘管屬于半控制器，主要是指在使用的過程中可以導(dǎo)通門極，但是卻不能夠使其關(guān)斷，因此，又可以稱為可控硅。晶閘管的管段還需要電網(wǎng)、電壓等外部的條件才可以實(shí)現(xiàn)，一般分為單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等，控制方式主要是相位控制，使得其實(shí)用范圍受到了一定的限制?？傊чl管使得電力系統(tǒng)進(jìn)入了電力電子時(shí)代，也可以說電力電子系統(tǒng)的核心部件就是晶閘管。

2.3 全控和集成時(shí)代

全控時(shí)代主要依靠的是全控型器件，主要特點(diǎn)是能夠使其開通、關(guān)斷，彌補(bǔ)了晶閘管的不足。全控型晶閘管有電力雙極型晶體管和電力場效應(yīng)晶體管。全控型器件的電路控制方式為相對控制，相較于相位控制方式具有絕對的優(yōu)勢。全控時(shí)代也開啟了電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)全新的時(shí)代。

集成時(shí)代主要是將驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成了集成電路，簡化了電路，提高了電路的工作效率，為電力電子技術(shù)的發(fā)展提供了方向。全控和集成時(shí)代依靠的依然是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施，只有基礎(chǔ)設(shè)施達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模，才能夠走向全控和集成時(shí)代。

3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅應(yīng)用在人們的日常生活中，例如照明、空調(diào)等，而且還被應(yīng)用到電力系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等方面。隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)，電力電子系統(tǒng)將來會被應(yīng)用到更多的場合和領(lǐng)域中。

3.1 電力系統(tǒng)

電力能源是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。人們的生活、學(xué)習(xí)和工作都離不開電能，電力系統(tǒng)的發(fā)展直接影響到人們的生活質(zhì)量。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中采用電力電子系統(tǒng)在長距離、大容量輸電中具有絕對的優(yōu)勢，其中，柔性開關(guān)和電壓控制器都可以改善供電系統(tǒng)，提高供電質(zhì)量，改善了民眾和企業(yè)的用電質(zhì)量，節(jié)省了大量的電能。電力系統(tǒng)是電子系統(tǒng)應(yīng)用的最佳場合，換句話說，電力電子系統(tǒng)將會成為電力系統(tǒng)的核心部件，提高電力的功能和效率[3]。

3.2 家用電器

電力電子系統(tǒng)在家用電器中的應(yīng)用主要是在照明、空調(diào)等方面。電力電子器件的發(fā)光效率高，能夠節(jié)省大量的電能資源，電力電子照明系統(tǒng)也在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈照明裝置。在空調(diào)和電冰箱中也具有重要的應(yīng)用，可以提高功率節(jié)省電能。電力電子的裝置相對簡單，能夠幫助簡化家電體積和居家電線的布局，節(jié)省空間，降低功耗。因此，在家用電器中應(yīng)用電力電子系統(tǒng)可以幫助用戶節(jié)省開支，為社會節(jié)約能源。

3.3 交通運(yùn)輸

隨著社會的發(fā)展，高鐵、地鐵都已經(jīng)成為人們出行的重要工具。電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在直流機(jī)車中的整流設(shè)備、交流機(jī)車中的變頻設(shè)備等，都是機(jī)車電力系統(tǒng)的重要組成部分。各種軌道車輛中采用的直流斬博器、有軌電車中采用的各種電力電子裝置，都是電力電子系統(tǒng)的典型應(yīng)用，不但為人們的出行提供了方便，也為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了強(qiáng)勁動力，同時(shí)，即將全面投運(yùn)的懸磁浮列車的整個(gè)電力系統(tǒng)也離不開電力電子技術(shù)的強(qiáng)大支撐。電力電子已經(jīng)改變了傳統(tǒng)交通運(yùn)輸工具的電力系統(tǒng)，大大提高了交通運(yùn)輸工具的速度和效率。

家用交通工具中最常見的電動車也需要電力電子系統(tǒng)，其集成裝置使得電動車更加簡化、輕巧，也決定了電動車的最大續(xù)航里程和壽命，電動車的續(xù)航里程和壽命也是人們選擇時(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)。

3.4 航天和發(fā)電站

航天的飛行器中包含大量的電子儀器，其開啟需要應(yīng)用到各種電源，從而也需要電力電子技術(shù)。航天飛行器對于我國的航天事業(yè)來說具有重要的作用，將會決定航天事業(yè)的高度。發(fā)電站中也需要應(yīng)用電力電子技術(shù)來起動和調(diào)速，特別是新能源的開發(fā)中，都需要應(yīng)用電力電子系統(tǒng)。在電量需求大的地方或者經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)都需要以各種各樣不同的電力電子系統(tǒng)作為支撐。

4 結(jié)語

電力電子系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要創(chuàng)新，其發(fā)展已經(jīng)相對成熟，而且被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，改變了整個(gè)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)。電力電子具有獨(dú)特的優(yōu)勢，加強(qiáng)了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的安全控制，提升了電力系統(tǒng)的應(yīng)用水平。但是電力電子并不是完美的，各種電磁輻射和電子干擾也影響著電力電子系統(tǒng)。作為一項(xiàng)新興技術(shù)，其發(fā)展將對人們生活起到不可估量的作用。