現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展趨勢探析

何杉 張晶 劉偉

【摘?要】隨著科技水平提升，電力電子技術快速發(fā)展，為我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型提供了重要基礎。文章將詳細分析電力電子技術定義及其作用，并分析其應用趨勢以及應用，旨在促進我國電力電子技術持續(xù)發(fā)展。

【關鍵詞】發(fā)展趨勢;電力電子技術;應用

電力電子技術是前沿科技技術，對我國工業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。我國電力電子技術發(fā)展經(jīng)過數(shù)個時期，應用范圍廣泛、作用巨大。由此可見，探析現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展趨勢是十分必要的。

一、電力電子技術概述

（一）定義

電力電子技術屬于創(chuàng)新科學技術，也被稱為功率電子技術，電子電力器件是其主要研究對象。電力電子技與控制技術、電路裝置等部位可以構(gòu)成完備的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電路電能的自由轉(zhuǎn)化。電力電子技術屬于電子領域、電工學、大電流、電工領域等分支，融合多個領域，為強弱電研究發(fā)展的新學科。

（二）作用

電力電子技術的主要應用對象為電力電力器件，能夠優(yōu)化使用電能，確保電能應用的合理性、高效性，節(jié)約電能應用量。我國傳統(tǒng)高耗電能行業(yè)應用電力電子技術可以有效節(jié)約電力能源，例如：工業(yè)窯爐、電力牽引等。此外，電力電子技術對于機電一體化發(fā)展具有重大推動作用，借助電力電子技術高頻技術、變頻技術讓機電設備突破工頻傳統(tǒng)，促進其高頻發(fā)展。電力電子技術本身也在持續(xù)發(fā)展，智能化發(fā)展特征是其發(fā)展新趨勢，能夠優(yōu)化信息處理，提電力電子作業(yè)功率，促進電子技術改革與發(fā)展。

二、電力電子技術的發(fā)展趨勢

低頻技術轉(zhuǎn)向高頻技術以及傳統(tǒng)電力電子學轉(zhuǎn)向現(xiàn)代電力電子學是電力電子技術發(fā)展主要方向。電子技術發(fā)展始于20世紀50～60年代，硅整流器件是其發(fā)展標志，并在多個領域中進行應用發(fā)展;20世紀80～90年代，電子技術快速發(fā)展，并以高壓、高頻、大電流為主要特征，MOSFET、IGBT均是其典型代表，這也標志著電子電力電子技術進入新的發(fā)展時代。

（一）整流器發(fā)展時期。

工業(yè)用電功率較大，主要由交流發(fā)電機（50Hz工頻）所提供，其中約有五分之一的電能通過直流形式進行體現(xiàn)，其應用主要體現(xiàn)在電解、牽引以及直流傳動三個方面。電解方面主要體現(xiàn)為：（1）直流電解化工原料;（2）直流電解有色金屬。牽引方面主要體現(xiàn)為：（1）地鐵機車牽引;（2）城市無軌電車牽引;（3）內(nèi)燃機車牽引;（4）電氣機車牽引。直流傳動方面體現(xiàn)為：（1）軋鋼傳動;（2）造紙傳動。在整流器發(fā)展時期，大功率硅整流器能夠?qū)⒐ゎl交流電高效轉(zhuǎn)化為直流電，晶閘管、硅整流管（大功率）開發(fā)與應用迎來發(fā)展熱潮，同時期國內(nèi)興辦了大量的工廠，用以滿足晶閘管、硅整流管生產(chǎn)需求，如硅整流器半導體廠家就是其中作為典型的代表。

（二）逆變器發(fā)展時期

20世紀70年代世界出現(xiàn)了能源危機，波及范圍較廣，許多國家受此影響，并形成能源危機意識，節(jié)能成為了能源應用共識。交流電機變頻惆速節(jié)能效果顯著，在20世紀70年代得到快速發(fā)展。20世紀70～80年代，變頻調(diào)速技術得到極大發(fā)展，相關裝置設備已經(jīng)得到快速普及，變頻電力電子器件被廣泛應用，例如巨型功率晶體管、晶閘管、門極可關斷晶閘管都成為了這個時期的主要電子元件。逆變器發(fā)展時期電子電力技術基本上都實現(xiàn)了逆變、整流，但技術水平有限，主要集中在中、低頻率范圍之內(nèi)。

（三）變頻器發(fā)展時期

20世紀80年代，集成電路技術得到快速發(fā)展，發(fā)展規(guī)模不斷變大，主要表現(xiàn)為大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路，為現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展提供了技術基礎。隨著集成電路技術水平提升，高壓大電流技術與精細加工技術相結(jié)合，生產(chǎn)出全新功率器件（全控型），如MOSFET、IGBT等。MOSFET標志著中小型功率電源開始走向高頻化發(fā)展趨勢，IGBT的出現(xiàn)則標志著中大型功率電源開始走向高頻化發(fā)展趨勢。根據(jù)相關權威機構(gòu)發(fā)布的可靠數(shù)據(jù)顯示，20實際90年代MOSFET功率器件、GTR功率器件生產(chǎn)數(shù)量上基本持平，隨著技術水平提升GTR功率器件逐漸被IGBT功率器件所代替，為電機變頻調(diào)速技術發(fā)展提供了較高頻率，并完善了電機的相關性能。現(xiàn)代電子技術發(fā)展主要朝向高頻化、節(jié)能化發(fā)展，器件設備在體積上也愈加輕量化，并為機電智能化、一體化提供了可行性基礎。

三、現(xiàn)代電力電子技術應用分析

（一）工業(yè)應用

工業(yè)發(fā)展中應用的設備主要為直流電動機。直流電動機具有調(diào)速性能佳、可控性強的特征，能夠?qū)崿F(xiàn)直流斬波電源、整流電源調(diào)控。目前，電子電頻技術快速發(fā)展，交流電機調(diào)速性能與一般直流電性能上不相上下，被廣泛的應用于行業(yè)當中。如軋鋼機、伺服電機等。現(xiàn)代電力電子技術應用范圍廣泛，甚至部分領域在鼓風機（大型）上安裝了變頻裝置，以此實現(xiàn)節(jié)約電能的目的。工業(yè)應用中部分電機并不具備調(diào)速功能，但安裝了軟啟動裝置，同樣能夠起到緩沖電流沖擊的作用。

（二）交通運輸

軌道運輸業(yè)電氣化發(fā)展中廣泛應用電力電子技術，如交流機車中安裝了變頻裝置，直流機車中就配置了整流裝置，以此滿足不同的使用需求。磁懸浮列車技術是未來軌道運輸業(yè)發(fā)展新方向，其技術發(fā)展必然要依賴于電力電子技術，如電機牽引傳動、輔助電源等。汽車運輸中，電機作業(yè)則依靠電力電子技術實現(xiàn)電力驅(qū)動以及變化。尤其是電動汽車蓄電池部分，更是離不開電力電子技術。由于電力電子技術在電源應用上作用廣泛，如船舶、飛機等都需要運用到此技術。

（三）電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)是應用電力電子技術的主要對象。根據(jù)權威數(shù)據(jù)顯示，發(fā)達國家用電戶所使用的電能中約有60%經(jīng)過電流裝置處理。電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，電力電子技術功不可沒，也是其中的關鍵技術。在電力系統(tǒng)中需要長距離輸送電能，就可以借助電力電子技術長距離輸送直流電，減少能源耗損，提升輸送效率。電力系統(tǒng)中近年來最新應用的柔性交流輸電、晶閘管投切電容器都需要電力電子技術作為支撐。在配電系統(tǒng)構(gòu)建過程中，安裝電力電子設備，可以預防閃變、瞬時停電、電壓跌落對于電網(wǎng)的損壞。

（四）設備電源

電子裝置電力電子技術實現(xiàn)的具體載體，電子裝置運行過程中需要使用不同等級電壓直流電。通信中程控交換機在以往通過晶閘管進行供電，但隨著電力電子技術發(fā)展已經(jīng)更換為全控型高頻開展電管設備。科技發(fā)展中所使用的大型計算機也是使用此類電源。

（五）家用電器

家用電器中電力電子技術應用效果較為明顯，如節(jié)能燈使用電能較少，并且具有發(fā)光率高的特征，相比于傳統(tǒng)的日光燈更具有優(yōu)勢。此外，生活中的電冰箱、洗衣機、空調(diào)中都應用了電力電子技術。

結(jié)語

電力電子技術為經(jīng)濟發(fā)展、國民生活水平提升提供了重要技術支持。文章詳細分析了電力電子技術在不同時期發(fā)展狀況，論述了其巨大的應用作用。可以預見，在未來發(fā)展中電力電子技術必將持續(xù)發(fā)展，發(fā)揮出巨大應用作用，推動我國工業(yè)發(fā)展。

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（作者單位：西安電力電子技術研究所）