電力電子技術(shù)發(fā)展史及應(yīng)用

1、什么是電力電子技術(shù)

電力電子技術(shù)可以認(rèn)為就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支，通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。表1概括了電力變換的種類

表1.電力變換的種類

如下圖描述電力電子的倒三角形，美國(guó)學(xué)者W.Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉形成的。

電力電子技術(shù)和電子學(xué)

電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。

電力電子技術(shù)和電力學(xué)

電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。

各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽

引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無(wú)論是國(guó)內(nèi)國(guó)外，通常都把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國(guó)，電力電子與電力傳動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-2用兩個(gè)三角形對(duì)電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。

電力電子技術(shù)和控制理論

控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

2、電力電子技術(shù)的發(fā)展史

一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。

晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期

1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線電，從而開(kāi)啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。

20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來(lái)變流.

1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。

晶閘管時(shí)代

晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。

晶閘管是通過(guò)對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。

全控型器件和電力電子集成電路(PIC)

70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power-MOSFET)為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)門極（基極、柵極）的控制既可使其開(kāi)通又可使其關(guān)斷。

采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱斬控方式。在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對(duì)MOS控制晶閘管(MCT)和集成門極換流晶閘管(IGCT)復(fù)合了MOSFET和GTO。

把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路(PIC)，這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。

隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

3、電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。

一般工業(yè)

工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來(lái)也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是電力電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。

交通運(yùn)輸

電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來(lái)的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動(dòng)并控制。

飛機(jī)、船舶和電梯都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

電力系統(tǒng)

據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流裝置的處理。直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電(FACTS)也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。

閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)、靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)、有源電力濾波器(APF)等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。

在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。

電子裝置用電源

各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開(kāi)關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開(kāi)關(guān)電源。在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源(Uninterruptible Power Supply__ UPS)供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。

家用電器

電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈?？照{(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。

其他領(lǐng)域

航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開(kāi)各種電源， 這些都必需采用電力電子技術(shù)。

抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來(lái)起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ) 能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力 電子技術(shù)。

新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，需要用電力電子技 術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力 電子技術(shù)。

核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這 種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種 電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。

4、結(jié)束語(yǔ)

從上面關(guān)于電力電子地?cái)⑹鲋?，我們可以看到，這是一門存在于我們身邊的技術(shù)，同時(shí)也是一個(gè)在不斷發(fā)展的技術(shù)。我們生活在一個(gè)離不開(kāi)電的時(shí)代，電力電子技術(shù)的發(fā)展不斷地給我們帶來(lái)了便利，同時(shí)正是這種離不開(kāi)的關(guān)系，是我們?nèi)匀辉诓粩嗟靥剿骱桶l(fā)展著這門技術(shù)。這種發(fā)展有很大一方面便是其中所用電力電子器件的發(fā)展，也就是我們要說(shuō)的那些事兒。