試論現代電力電子技術的發展趨勢及應用

張子午

湖北工業大學，湖北 武漢 430000

電子電力技術包括電力電子器件、變流電路和控制電路3部分，是以電力為處理對象并集電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的綜合性學科。電力技術是一門涉及發電、輸電、配電及電力應用的科學技術，電子技術是一門涉及電子器件和由各種電子電路所組成的電子設備和系統的科學技術，控制技術是指利用外加的設備或裝置使機器設備或生產過程的某個工作狀態或參數按照預定的規律運行。電力電子器件是電力電子技術的基礎，電力電子器件對電能進行控制和轉換就是電子電力技術的利用。在21世紀已經成為一種高新技術，影響著人們生活的各種領域，因此對對電子電力技術的研究具有時代意義。

1 電力電子技術的發展

傳統電力電子技術是以低頻技術處理的，現代電力電子的發展向著高頻技術處理發展。其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，在不斷的發展中促進了現代電力電子技術的廣泛應用。電力電子技術在1947年晶體管誕生開始形成，接著1956的晶閘管的出現標志電力電子技術逐漸形成一門學科開始發展，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體復合器件的出現，表明已經進入現代電子電力技術發展時代。

1.1 整流器時代

在60年代到70年代被稱為電力電子技術的整流時代。該期間主要是大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用。1948年的晶體管的出現引發了電子工業革命，半導體器件開始應用與通信領域，1957年，晶閘管的誕生擴展了半導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變為直流電，當地辦硅整流器廠逐漸增多，大功率的工業用電由工頻（50Hz）交流發電機提供，其中電解、牽引、和直流傳動是以直流形式消費。

1.2 逆變器時代

20世紀70年到80年代期間成為逆變器時代，該期間的電力電子技術已經能夠實現逆變，但是僅局限在中低頻范圍內。當時變頻調速裝置因為能節能大量普及，巨型功率晶體管（GTR）、門極可關斷晶閘管（GTO）和大功率逆變用的晶閘管成為當時電力電子器件的主流。它們屬于第二代電力電子器件。

1.3 變頻器時代

進入80年代，功率MOSFET和絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）的問世，電力電子技術開始向高頻化發展，高壓、高頻和大電流的功率半導體復合器件為第三代電器元件的大規模集成電路技術迅速發展，他們的性能更進一步得到了完善，具有小、輕和高效節能的特點。

1.4 現代電力時代

20世紀以來，電力電子作為自動化、節材、節能、機電一體化、智能化的基礎，正朝著應用技術高頻化、產品性能綠色化、硬件結構模塊化的現代化方向發展。在1995年，功率MOSFET和GTR在功率半導體器件出現并廣泛被人們應用，功率器件和電源單元的模塊化，使用方便，縮小整機體積，器件承受的電應力降至最低，提高系統的可靠性。電子電力技術具有全控化、電路形式弱電化、集成化、高頻化和數字化的特點。更能帶來節能、節省材料和減少污染的經濟效益和生態效益，能控制精度高、避免模擬信號的畸變失真，減小雜散信號的干擾，改善了工作條件。

2 電力電子技術的應用

2.1 工業領域

在工業中，大部分都使用的是交直流電動機。例如數控機床的伺服電機、軋鋼機和礦山牽引、大型鼓風機等等都采用電子交直流技術。在大量的冶金工業中的高頻和中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源也大量的采用電力電子技術。在水里電廠蓄能機組中，大型機組工作狀態的調速好改變也采用現代電力電子技術的變流裝置，當負荷降低時，將下游的水抽到水庫，儲存能量，以調節電力系統的供電量。

2.2 交通運輸

交通業的發展也離不開電子電力技術，電氣機車中的交流機車和直流機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電力電子技術。特別是飛機、船舶需要更多不同種類的電源，他們的運輸就更需要電力電子技術的支持。電梯也開始使用交流變頻調速，鐵道車輛運用了直流斬波器，火車將由PWM逆變交流牽引系統取代原來的直流系統。磁懸浮列車也是同樣采用電機傳動，超導磁浮鐵道系統為各先進國家關注的熱點。一旦成功，將使火車時速高達500km。這將大大提高運力，緩解交通運輸對國民經濟發展的制約。地鐵、輕軌車及機車牽引，已是電力電子技術的應用領域。

2.3 傳統產業

通過電力電子技術對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節約，實現了電能使用最佳化。在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術與電力電子技術一體化，據預測，以后絕大部分電源都要經過電力電子技術處理后使用，為傳統產業和新興產業采用微電子技術創造了條件。在現代電力電子技術的支撐下，改善了勞動的惡劣環境，把工人帶入到現代化的智能工作室，使得傳統產業的勞動力強度有所降低，工作效率提高，進而改造了傳統產業。特別當應用于化石燃料電站和核電站中的時候，電力電子技術的能良好的控制其存在的安全隱患與環境污染。

2.4 家用電器

現代化電力電子技術以全控型新器件及各種PWM電路為代表，廣泛應用于交流調速系統，交流電氣牽引及家用電器等領域。人們開始享受到了電力電子技術帶來的恩惠。電視機、電冰箱、微波爐、電子計算機、洗衣機、電熱水器等都是應用電力電子技術發展而來的。例如高頻熒光燈比白熾燈效率高2倍～3倍，變頻空調器的使用就能節約30%的電能。電力電子技術使得家用電器日益向智能化發展，使人們享受科學技術帶來的美好享受。

3 結論

電力電子技術是智力、信息、知識密集型技術，其耗能低，污染少，展望電子電力技術的前景，電子電力技術將會跟隨時代的腳步不斷的創新，更高更好的新技術必將開拓更廣的領域，其良好的運用將很好的促進我國的現代化建設。

[1]王素芹.電力電子技術的發展及應用[J].科技創新導報，2009.

[2]趙爭鳴.電力電子技術應用系統發展熱點綜述[J].變頻器世界，2010.