浅析电力电子技术的发展与应用

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　　摘要：电力电子技术主要应用于电力领域，其工作原理是依靠电力电子器件对电能进行不断地转换和控制。从数W乃至1W以下到数百MW乃至GW，利用电力电子技术转换而来的电力能源深入到社会发展的各个领域。越来越成熟的电力电子技术极大程度上方便了人们的生活生产，推动了工业制造的前进步伐。本文主要对电力电子技术的发展历程以及应用做了简要的分析。
　　关键词：电力电子技术；发展历程；应用
　　中图分类号：TP311 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）11-0268-02
　　Abstract： Power electronics technology is mainly used in the field of power， its working principle is relying on power electronic devices for continuous conversion and control of power. From several or even less than 1W to hundreds of MW or even GW， power energy converted by power electronics technology has penetrated into various fields of social development. More and more mature power electronics technology greatly facilitates people's life and production， and promotes the progress of industrial manufacturing. This paper mainly makes a brief analysis of the development and application of power electronics technology.
　　Key words： power electronic technology； development history； application
　　1 概述
　　电力电子技术集科学性和实用性于一体，对我国社会的经济，科技发展都有着重大意义。现如今，电力领域的发展日新月异，通过对电力电子技术的不断探究和良好把控，弱电子到强电力的转换和控制更加趋向于高效化，质量化。在科技引领时代的今天，我们更是把能源再利用和绿色化放在了电力生产及控制的重要位置。
　　随电子学应运而生的电子技术，是一门利用电子器件组成电路来解决生活中实际问题的学科。而著重强调信息处理的信息电子技术和侧重于电力变换和控制的电力电子技术则是电子技术的两大分支。本篇文章将对后者的发展及其应用提出浅陋见解。
　　电力电子技术包含电力，电子和控制三个方面，是现代电子技术的基础之一。电力电子器件构成电力电子电路，它的发展带动了电力电子技术的进步，而功率半导体器件是电力电子电路的基础。功率半导体器件的历史悠久而深远。如今，各种各样的电子器件活跃在我们的生活之中，从不可控功率二极管到半控型的晶闸管，大功率晶体管，再到绝缘栅双极型晶体管等，小小的它们构成的电路蓝图大大的方便着人们的生活生产。随着功率半导体开关器件的出现以及变流技术的发展，国防建设，交通安全，能源保护和人民生产生活等与国计民生息息相关的各行各业之中都有着电力电子技术的身影，它具有非常可观的应用前景，成了电气工程中不可或缺的一环。
　　2 发展历程
　　2.1 整流器时代
　　工频交流发电机为大功率工业生产提供巨大动力，使得重工业发展迅速。而电镀，电力牵引和直流电气传动这三大领域却需要直流电的供给。于是，如何将交流电能转换成直流电能成了当时人们研究的热点问题。1958年，美国通用电气公司研发了世界上第一个晶闸管，这只晶闸管的诞生，宣布了电能的转换和控制从此进入整流器时代。20世纪40年代，大功率二极管又成功登上功率半导体器件的大舞台，并成了应用极广的一种电子器件。如今，整流二极管，肖特基二极管已被广泛应用。而20世纪60年代第一次出现在人类视野中的晶闸管为电力电子器件画上了浓墨重彩的一笔，电力电子技术走向了新的起点。如今，逆导晶闸管，双向晶闸管，光控晶闸管在生活生产中也很常见。
　　整流即为交流到直流的电力变换过程，它包括不可控整流和可控整流，而可控整流则是采用晶闸管作为控制元件。从单相到多相，从半波到桥式，从电阻性负载到电感性负载，我们通过对整流电路的电压电流的分析，判断功率半导体器件的通断状态和负载的性质。一层层揭开电子器件的奥秘，一步步推动整流器时代的发展。
　　2.2 逆变器时代
　　晶闸管属于第一代电力电子器件，它的出现虽然使得电力电子技术的发展向前飞跃了一大步，但是它是一种半控型器件，不具有自关断的能力，然而关断问题在应用中是必须要提出解决的。于是，晶闸管的使用并不能满足电力电子技术的发展需求。为了进一步简化电路结构，降低成本输出，第二代全控型器件在20世纪70年代被开发。 包括GTO，GTR，power MOSFET等，它们由栅极控制，以控制开关的导通和关断状态，并且有着开关频率高的特点。 解决了晶闸管不能自关断的问题，实现了转换器装置的高频率。 以power MOSFET为例，它的开关速度快，工作频率可达数百千赫兹以上。 是电力电子器件中速度最快的设备。 适用于高频应用，如开关电源和高频感应加热。
　　逆变是直流（DC）转换成交流（AC）的电力变换过程，有源逆变和无源逆变统称为逆变。有源逆变中，负载的供电来源是电网电源，通过电网，将DC变换成供负载使用的交流电输送出去。而无源逆变不通过电网，它直接将DC变换成AC供给用电负载使用。在直流电源（蓄电池，光电池），不间断电源，有源滤波器，以及现代风电技术中，逆变的运用都非常之广泛而深入。而现在，对于逆变的多重化和多电平化，以及PWM技术的采用和实施也已经成为热门话题。 　　2.3 变频器时代
　　1980年～1989年之间，绝缘栅双极晶体管的出现标志着第三代场控半导体器件的诞生。 与此同时，静电感应晶体管，静电感应晶闸管，MOS控制晶闸管等器件也随之出现在电子世界。 大规模甚至超大规模的集成电路得到了广泛的应用，而全控半导体器件已迅速占领了大部分市场，电力电子技术的发展也达到了新的高潮。各种全控型半导体器件的相继问世，复合导电机构的成熟使用，电力电子技术不断地得到提高和完善，到80年代后期，第四代电力电子器件也全面投入市场，被各个行业使用，集成电路被大众所认知，电力控制也跨上了一个新的台阶。相比于之前的第一，二代，现在的电子器件具有更高的耐压，电流容量也增加了很多，更是添加了过压过流等监测装置。新的器件的出现不意味着老器件的淘汰，在电力电子技术发展的道路上，这些器件将一直大放异彩。
　　变频是通过使用半导体器件来改变供电频率来降低功耗，提高用电效率，调节负载，使用电设备具有更长的使用寿命。变频电路有交交变频电路，交直交变频电路等，它们的调频范围和使用场合等根据电路组成不同而有所不同。如今，变频空调、变频冰箱、各式各样的变频器已深入我们的生活，变频技术也被成熟运用在我们的身边。我们的生活质量，科技水平有了显著的提高。
　　3 应用举例
　　3.1 不间断电源
　　不间断电源（UPS）主要由蓄电池组，整流器，逆变器，旁路开关和重要负载这五大部分组合而成。现在已经在航天，铁路，交通，IT行业等领域广泛投入使用。UPS对一些重要负载而言，是避免电网电源的不利影响，减少谐波干扰的有效措施，并且在过电压，欠电压时还能够对电压进行调整。UPS的蓄电池组通常是铅酸电池，一般情况下，电网电源正常供给电能，重要负载的供电来源则是电网所输送出来的能量，此时蓄电池组通过电网电源进行充电。当电网断电，正常供电停止，蓄电池组将储存的电荷释放出来，供给重要负载，使负载可以处于不断电状态，一直保持正常工作。这就是不间断电源和其他普通电源的主要区别。UPS为重要负载提供稳定电压，并且在维护和管理上相对于其他电源先进了很多，倍受大型设备和企业的青睐。
　　3.2 变速恒频发电技术
　　现在的社会，经济日益膨胀，人们的生活水平不断提高，而在人类发展进步的同时，能源的消耗速度是我们无法想象的，人类对能源的需求不断增长，很快，能源已是供不应求，能源危机是我们每个人都将要面临的问题。现在，一次性能源的消耗已经造成的很多问题，矿物的燃烧与大量使用，使得能源即将枯竭，环境保护一时间也面临着巨大的挑战。于是，可再生能源的开发和利用是我们迫在眉睫的任务，只有这样，我们才能实现能源的有效供应，以及环境的可持续发展。
　　变速恒频发电迅速适应了各种发电系统的要求，成为现在最需要研究和使用的发电方式。它通过交-直-交全功率变换和交流励磁双馈发电两种方式达到变速恒频发电的目的。对风力发电，水力发电的运行都有着巨大的意义。
　　4 结语
　　电力电子技术是一种新兴的能量转换和控制技术，在电力电子器件一次次革新的过程中，电力电子技术也日渐成熟，被大众所熟知，对于电气控制至关重要。电力电子技术的进步和发展的同时，世界也对其提出了新要求，即集成化，通用化，智能化，綠色化。在科技引领潮流的今天，我们年轻一代也应该以探究钻研的精神去学习电力电子技术的有关知识。
　　参考文献：
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　　[4] 张娜.电力电子技术的发展及应用探究[J]. 电子技术与软件工程，2015（3）.
　　【通联编辑：梁书】
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