現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展研究

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1.關(guān)于電力電子技術(shù)

所謂電力電子技術(shù)，即以電力作為作用對(duì)象的電子技術(shù)，是一門介于電力技術(shù)、電子技術(shù)以及控制技術(shù)之間的交叉性學(xué)科，涉及的知識(shí)領(lǐng)域范圍較廣，具有綜合性特征。

1.1電力技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用具有多樣性，其主要利用電磁學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸配電等多方面的功能，研究內(nèi)容主要有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、輸配電、變壓器、電力線路等等，通過使用這些用電設(shè)備來解決電能的輸送、生產(chǎn)以及調(diào)派問題等，因此對(duì)于電力技術(shù)而言，上述電力設(shè)備極為重要。

1.2電子技術(shù)

電子技術(shù)依賴電子學(xué)原理，是一門通過設(shè)計(jì)電子元件或設(shè)備以及創(chuàng)建一些具有特殊功能的電路，從而處理現(xiàn)實(shí)目的問題的學(xué)科，其處理對(duì)象為電子信號(hào)，常見處理方法包括：產(chǎn)生信號(hào)、放大信號(hào)、信號(hào)過濾、信號(hào)轉(zhuǎn)譯等等。此技術(shù)于上世紀(jì)初期左右問世，其后便迎來了飛速發(fā)展時(shí)期，是近現(xiàn)代科技進(jìn)步的里程碑。

1.3控制技術(shù)

其屬于一門研究各種控制過程共同規(guī)律的科學(xué)技術(shù)，主要借助外設(shè)控制設(shè)備，來讓生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種參數(shù)以及受控制元素的對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)能夠依照預(yù)設(shè)值來進(jìn)行運(yùn)作。控制技術(shù)的核心研究內(nèi)容為控制系統(tǒng)中的控制信息，即控制系統(tǒng)中的信息分析、變換、傳送等。與電力技術(shù)和電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)不同，在前期發(fā)展階段，其是以自動(dòng)調(diào)節(jié)理論為理論基礎(chǔ)，之后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入應(yīng)用，逐漸衍生出了控制理論，而這也開始成為控制技術(shù)的主要理論依據(jù)。

2.現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展

分析現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)可以得知，其目前主要是基于以低頻模式解決問題為核心的舊式電力電子學(xué)，逐漸朝著以高頻模式解決問題為核心的現(xiàn)代化電力電子學(xué)的目標(biāo)演變。在上世紀(jì)六十年代初期，電力電子技術(shù)被研發(fā)應(yīng)用，其后在不斷地發(fā)展完善中相繼步入整流器、逆變器、變頻器三大時(shí)代，在不同的時(shí)代電力電子技術(shù)獲得了不同的發(fā)展，并且也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1第一個(gè)階段——整流器時(shí)代

此時(shí)代范圍為20世紀(jì)60年代-70年代。大約在上世紀(jì)40年代晚期普通晶體管的研發(fā)成為電子工業(yè)革命的誘因，這些晶體管之后被廣泛用于計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域內(nèi)的信息處理之中，此時(shí)的應(yīng)用環(huán)境為小功率。直至1957年，美國人R.A.約克制成實(shí)用的晶閘管，擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件的功率控制范圍，50年代末被用于電力電子裝置，60年代以來得到迅速推廣,主要應(yīng)用于大功率的硅整流管和晶閘管。而功率較大的工業(yè)用電普遍為工頻交流發(fā)電機(jī)生成，但是，其中有高達(dá)五分之一的電力是以直流的形式消耗使用的。而大功率硅整流器能夠?qū)⒐ゎl交流電轉(zhuǎn)換成直流電，因此，功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用在上世紀(jì)六、七十年代得到了很大發(fā)展，這就是電力電子技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)時(shí)代。

2.2第二個(gè)階段——逆變器時(shí)代

20世紀(jì)70年到80年代期間是電力電子技術(shù)的第二個(gè)階段，又稱逆變器時(shí)代。在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，為了節(jié)約能源，交流電機(jī)變頻調(diào)速迅速發(fā)展，電力電子技術(shù)逐漸能夠?qū)崿F(xiàn)逆變。隨著變頻調(diào)速裝置的普及與應(yīng)用，門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率逆變用的晶閘管和巨型功率晶體管（GTR）逐漸成為主要的電力電子器件。上述電力電子器件也可稱作全控型器件，能夠用于高壓直流輸出、靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?，能夠自由調(diào)節(jié)關(guān)斷狀態(tài)，此發(fā)展階段的電力電子技術(shù)已經(jīng)完成了整流和逆變，不過由于其工作頻率不高，所以只能在中低頻的范圍內(nèi)應(yīng)用。

2.3第三個(gè)階段——變頻器時(shí)代

步入80年代，便開始了電力電子技術(shù)的第三個(gè)時(shí)代——變頻器時(shí)代。在20世紀(jì)80年代初期，大規(guī)模集成電路技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，同時(shí)也使得電力電子技術(shù)逐漸發(fā)展至目前水平有了更為牢固的技術(shù)基礎(chǔ)。首先是功率MOSFET的出現(xiàn)，帶領(lǐng)中小型功率的電力電子應(yīng)用技術(shù)步入高頻化發(fā)展時(shí)代，而其后IGBT的研發(fā)，更加有力的推動(dòng)了大中型功率電力電子技術(shù)朝著高頻化發(fā)展，同時(shí)，這標(biāo)志著傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子的轉(zhuǎn)換。新型電力電子器件具有重量輕、體積小和高效節(jié)能等特點(diǎn)，不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，而且能夠使得用電設(shè)備在能源使用方面更加節(jié)約，為達(dá)成機(jī)電一體化、智能化等帶來技術(shù)支持，讓現(xiàn)代電力電子技術(shù)朝著全控化、集成化、高頻化、控制技術(shù)數(shù)字化和電路形式弱電化不斷發(fā)展。

3.現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用

3.1在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

一般而言，在工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)環(huán)節(jié)大多需要使用交直流電動(dòng)機(jī)，尤其是直流電動(dòng)機(jī)具有方便調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，電源大多選用電力電子器件。目前，由于電力電子變頻技術(shù)日趨成熟，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速功能現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展至同直流電動(dòng)機(jī)相差無幾的水平，由此，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)已然在電力電子領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先水平。為了在節(jié)能方面有所突破，一些在調(diào)速性能方面沒有高要求的設(shè)備也漸漸應(yīng)用變頻技術(shù)。在電化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，直流電動(dòng)機(jī)也一樣獲得了廣泛應(yīng)用，如電解設(shè)備、電鍍?cè)O(shè)備均需要使用直流電動(dòng)機(jī)。

3.2在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

智能電網(wǎng)是將電網(wǎng)進(jìn)行智能化改造，通過傳感和測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)以及先進(jìn)智能的決策管理體系的應(yīng)用來運(yùn)行的，現(xiàn)代電力電子裝備在建設(shè)智能電網(wǎng)的過程中，有著關(guān)鍵性作用。在智能電網(wǎng)中，電力電子裝備大部分采用了全控型電力電子器件、DSP全數(shù)字控制技術(shù)和各種多電平大功率變流器拓?fù)洌@些電力電子裝置的應(yīng)用能夠提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。

3.3在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)來處理電能，能夠讓電能使用更為合理、應(yīng)用效率更高，從而實(shí)現(xiàn)電能的有效節(jié)約。并且，把信息處理同功率處理加以融合，促成微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的一體化，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，未來絕大多數(shù)的電源均需要先通過電力電子技術(shù)處理之后再投入使用，這樣便為傳統(tǒng)型產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用微電子技術(shù)的發(fā)展制造了基礎(chǔ)條件。依托于現(xiàn)代電力電子技術(shù)，使得勞動(dòng)環(huán)境獲得大幅度改善，人們不再需要處于惡劣的環(huán)境下工作，而是進(jìn)入到現(xiàn)代化的智能工作間，讓傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的作業(yè)強(qiáng)度明顯減輕，使得工作效率顯著提升，從而使得傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)獲得徹底性改變。尤其是對(duì)于化石燃料電站或核電站而言，應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)可以有效的使其潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)因素與內(nèi)部污染得到控制。

3.4在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，全球的傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量大量的減少，生態(tài)平衡遭到了嚴(yán)重破壞，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，發(fā)展可再生且安全環(huán)保的新能源勢(shì)在必行。目前，新能源發(fā)電的方式有很多，例如：太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。通常大部分可再生能源直接產(chǎn)生的能量是不穩(wěn)定的，而且各種類型的能源要想轉(zhuǎn)化成電能所需采取的方式不一，對(duì)此，在把各類能源輸入電網(wǎng)時(shí)，必須要采用變流技術(shù)按照不同的要求對(duì)能源進(jìn)行控制和調(diào)整，這一過程中的能量變換、并網(wǎng)控制、發(fā)電機(jī)控制和電量儲(chǔ)備等都需要使用電力電子技術(shù)，而只有提升電力電子技術(shù)的應(yīng)用水平，才能夠促使國內(nèi)電力能源結(jié)構(gòu)得到有效改善。

3.5在國民生活的應(yīng)用

我國現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用是國民生活中不可或缺的重要組成部分，不僅使人們的生活生產(chǎn)方式發(fā)生了翻天覆地的變化，豐富了人們的工作模式與日常生活體驗(yàn)，更讓人們體會(huì)到了前所未有的便捷感，促使整個(gè)社會(huì)的生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)水平都得到了提升。

3.5.1電子裝置電源

由于高頻開關(guān)電源具有低重量、高效率、反應(yīng)靈敏、體積適宜等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前已經(jīng)在電子裝置中得到了普遍應(yīng)用。而通信設(shè)備也已大部分采用全控型器件的高頻開關(guān)電源，取代了直流電源，在微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源和大型計(jì)算機(jī)的電源方面也全部使用高頻開關(guān)電源。

3.5.2家用電器設(shè)備

在家用電器設(shè)備方面，電力電子照明電源體積小、節(jié)能且發(fā)光效率高，現(xiàn)在逐步取代了傳統(tǒng)的日光燈和白熾燈。而變頻空調(diào)器、電視機(jī)、家用計(jì)算機(jī)等也都需要應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)。

結(jié)束語：

在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步中，現(xiàn)代電力電子技術(shù)也在迅速發(fā)展，這一技術(shù)在未來發(fā)展過程中，必將為大幅度節(jié)約電能、提高生產(chǎn)效率、加強(qiáng)環(huán)境治理和提高國民經(jīng)濟(jì)等做出重要貢獻(xiàn)，這也正是電力電子技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

作者：張斌 單位：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師一二三團(tuán)文體廣電服務(wù)中心