現代電力電子技術及其應用發展

雷靖華

（煙臺東方威思頓電氣有限公司，山東 煙臺 264003）

隨著社會的發展，人們對于電力的需求越來越多，電能已經成為人們生活中不可或缺的能源。電子信息化技術改變了傳統的電力技術，讓電力技術進入了一個嶄新的時代，為其發展拓展了電力系統的新領域。例如，現在電力電子技術已經被廣泛地應用到能源、環境、制造業等領域中。電力電子技術伴隨著信息技術而進步，信息技術的發展也為電力電子技術的進步奠定了堅實的基礎。電力電子技術的發展經歷了整流器時代、逆變器時代、變頻器時代，技術日臻完善趨于成熟，其應用是電力系統的一次重大改革，對其發展歷程進行研究有助于加強其在電力電子系統的應用，改善人們生活方式，提高人們的工作效率。

1 電力電子技術及其特點

電力電子技術涵蓋了電力電子元件的制造與變流技術，制造技術是基礎構成，變流技術是核心構成。電力電子技術并不是單純的電子技術，而是結合了電子學、電力學、控制理論3個方面的知識，推動電力系統的發展。就理論基礎而言，電力電子器件的制造技術和電子信息化的電子器件制造技術是一樣的，工藝也非常類似，在電力學中有著十分廣泛的運用，電力學與電力電子技術關系密切。控制理論在電力電子技術中的應用，使得電力電子技術更進一步地滿足了人們的生活需求[1]。電力電子技術的特點主要是以下幾個方面：

（1）全控化。傳統的電力電子器件主要是半控型普通晶閘管，現在的電力電子主要采用的是各類自關斷器件，能夠有效實現電力電子技術的全控化。同時，各類自關斷器件還能夠使得相對復雜的電路簡單化，提高電力電子的實用性，改變了整個電力系統的控制模式，增強了電力電子技術在電力領域的實用性和方便性。各種控制器并不是獨立存在，而是并聯在一起的，集成在一個基片上，實現了電力電子技術的集成化。

（2）高頻化。以集成化為基礎，主要是指電力電子技術的工作速度和工作強度。高效率化與高速度之間是相互聯系的，只有電力電子技術高速度化，才能實現電力電子技術的高效率化，也體現在能量的損耗上，由于傳統的電力器件相對復雜，導致電能量在運輸過程中具有損耗。電力電子器件開關的上升和下降都非常快，明顯地減少了開關損耗。

（3）變換器小型化。使元件朝著高頻率化發展，控制電路的高度集成化與微型化導致濾波電路與控制器的體積顯著減少。電力電子的元件構成也實現了主電路體積的大幅縮減，使得變換器小型化。電力電子技術的特點也是電力電子技術應用的基礎[2]。

2 電力電子技術的發展過程

電力電子技術技術誕生的標志是1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管。電力電子技術的發展主要經過了電力電子技術的前期、晶閘管時期、全控型器件時期。當然，不同的人對于電力電子系統的認識是不同的，一般情況下，電力電子發展過程主要是包括以下幾個方面。

2.1 電力電子技術的前期

電子技術開始于電子管，電子管能夠對電流進行控制，在通信和無線電中具有重要的作用。電力電子技術的前期主要是傳統的電子技術，傳統的電子技術元器件組成相對復雜，但是促使了現代電力電子技術的發展。傳統的電子技術雖然相較于現代的電力電子技術來說相對落后一些，但在當時已經是非常先進的了。特別是1947年，聞名全球的貝爾實驗室發明了晶體管，帶來了電子技術的革命風暴，隨后各種先進技術和器件的涌現，促進了電力電子技術飛躍地發展。

2.2 晶閘管時期

在晶閘管之前主要采用的是水銀整流器和旋轉變機組，與之相比，晶閘管具有優越的電氣性能和控制性能，擴大了電子技術的應用范圍。晶閘管屬于半控制器，主要是指在使用的過程中可以導通門極，但是卻不能夠使其關斷，因此，又可以稱為可控硅。晶閘管的管段還需要電網、電壓等外部的條件才可以實現，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，使得其實用范圍受到了一定的限制。總之，晶閘管使得電力系統進入了電力電子時代，也可以說電力電子系統的核心部件就是晶閘管。

2.3 全控和集成時代

全控時代主要依靠的是全控型器件，主要特點是能夠使其開通、關斷，彌補了晶閘管的不足。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勢。全控時代也開啟了電力電子技術應用的一個全新的時代。

集成時代主要是將驅動、控制、保護電路和電力電子器件集成在一起，構成了集成電路，簡化了電路，提高了電路的工作效率，為電力電子技術的發展提供了方向。全控和集成時代依靠的依然是電力電子技術的基礎設施，只有基礎設施達到一定的標準和規模，才能夠走向全控和集成時代。

3 電力電子技術的應用

電力電子技術的應用范圍非常廣泛，不僅應用在人們的日常生活中，例如照明、空調等，而且還被應用到電力系統、計算機系統等方面。隨著各種新技術的出現，電力電子系統將來會被應用到更多的場合和領域中。

3.1 電力系統

電力能源是國家經濟發展的命脈。人們的生活、學習和工作都離不開電能，電力系統的發展直接影響到人們的生活質量。現代電力系統中采用電力電子系統在長距離、大容量輸電中具有絕對的優勢，其中，柔性開關和電壓控制器都可以改善供電系統，提高供電質量，改善了民眾和企業的用電質量，節省了大量的電能。電力系統是電子系統應用的最佳場合，換句話說，電力電子系統將會成為電力系統的核心部件，提高電力的功能和效率[3]。

3.2 家用電器

電力電子系統在家用電器中的應用主要是在照明、空調等方面。電力電子器件的發光效率高，能夠節省大量的電能資源，電力電子照明系統也在逐步取代傳統的白熾燈照明裝置。在空調和電冰箱中也具有重要的應用，可以提高功率節省電能。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，節省空間，降低功耗。因此，在家用電器中應用電力電子系統可以幫助用戶節省開支，為社會節約能源。

3.3 交通運輸

隨著社會的發展，高鐵、地鐵都已經成為人們出行的重要工具。電力電子系統的應用主要體現在直流機車中的整流設備、交流機車中的變頻設備等，都是機車電力系統的重要組成部分。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，都是電力電子系統的典型應用，不但為人們的出行提供了方便，也為國民經濟的發展提供了強勁動力，同時，即將全面投運的懸磁浮列車的整個電力系統也離不開電力電子技術的強大支撐。電力電子已經改變了傳統交通運輸工具的電力系統，大大提高了交通運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，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航里程和壽命，電動車的續航里程和壽命也是人們選擇時的一個重要指標。

3.4 航天和發電站

航天的飛行器中包含大量的電子儀器，其開啟需要應用到各種電源，從而也需要電力電子技術。航天飛行器對于我國的航天事業來說具有重要的作用，將會決定航天事業的高度。發電站中也需要應用電力電子技術來起動和調速，特別是新能源的開發中，都需要應用電力電子系統。在電量需求大的地方或者經濟發達地區都需要以各種各樣不同的電力電子系統作為支撐。

4 結語

電力電子系統是電力系統中的一個重要創新，其發展已經相對成熟，而且被廣泛地應用到各個領域，改變了整個傳統的電力系統。電力電子具有獨特的優勢，加強了傳統電力系統的安全控制，提升了電力系統的應用水平。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。作為一項新興技術，其發展將對人們生活起到不可估量的作用。