西北民族大學電氣工程學院 劉增金

1.電力電子技術(shù)的發(fā)展

自上個世紀五十年代末第一只晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代電氣傳動技術(shù)舞臺。以晶閘管為基礎(chǔ)開發(fā)的可控硅整流裝置，讓電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)變流機組和靜止離子變流器進入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，是電氣傳動史上的一次革命。隨著電力電子技術(shù)理論研究與制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件的功能與應用迅速在得發(fā)展，先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，隨著電力電子技術(shù)在更多新領(lǐng)域的應用與發(fā)展表明電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET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，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。

1.1 晶閘管整流時代

大功率的工業(yè)用電由工頻（50Hz）交流發(fā)電機來提供的，在應用過程中，大約有20%的電能是以直流形式消費的，譬如電解（有色金屬和化工原料需要直流電解）、牽引（電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等）、直流傳動（軋鋼、造紙等）等幾大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率的把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，在上世紀六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用快速發(fā)展。國內(nèi)曾經(jīng)掀起了各地大辦硅整流器廠的熱潮，當前我國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家大多是那個時代建設(shè)的。這一時期稱之為電力電子技術(shù)的晶閘管時代。

1.2 電力電子技術(shù)的逆變時代

上世紀70年代后，隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)進入了逆變時代。當時的世界范圍的能源危機，讓交流電機變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而得到了迅猛發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?～100Hz的交流電，大功率逆變用的晶閘管以及巨型功率晶體管（GTR）和門極可關(guān)斷晶閘管（GT0）很快成為當時電力電子器件的主要角色。雖然這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變的功能，但僅局限在中低頻范圍內(nèi)，工作頻率相對較低。

1.3 現(xiàn)代電力電子變頻器時代

上世紀八十年代后，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)得到了廣泛的應用，為電力電子技術(shù)的快速發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合應用。以功率MOSFET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以及以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學正在向高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學轉(zhuǎn)變。這種現(xiàn)象表明，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子變頻器時代。這一時期，各種新型器件應用大規(guī)模集成電路技術(shù)，向復合化、模塊化的方向發(fā)展，讓電力電子器件結(jié)構(gòu)緊湊、體積縮小，同時能夠綜合不同器件的優(yōu)點。這些新型器件的發(fā)展，為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，同時使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能、實現(xiàn)小型輕量化、機電一體化和智能化打下了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.電力電子的技術(shù)應用

當前，電力電子技術(shù)的應用越來越廣泛。世界上一些先進工業(yè)國家正處于由“工業(yè)經(jīng)濟”模式向“信息經(jīng)濟”模式轉(zhuǎn)變的時期，而電力電子技術(shù)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、支持高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的橋梁紐帶，近些年來，隨著新型器件的開發(fā)與性能的改善與提高，更多高性能的電力變流裝置已經(jīng)被廣泛使用。這不僅促進了電力電子學自身的發(fā)展，而且影響著半導體材料技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息傳遞與處理技術(shù)及電路拓撲技術(shù)的進步。因此，電力電子技術(shù)的應用已經(jīng)成為一門有著廣闊應用前景，發(fā)展方興未艾的技術(shù)，在國民經(jīng)濟中的地位越來越重要。

2.1 電力電子技術(shù)在再生能源發(fā)電中的應用

當前世界的能源結(jié)構(gòu)，仍是以資源有限、污染嚴重的化石燃料為主要電力能源，但清潔干凈的可再生能源如太陽能、風能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地熱能、燃料電池等再生能源也開始進入快速發(fā)展時期。這些新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限的優(yōu)勢正在迅速推廣使用。據(jù)有關(guān)資料預測，到2060年，世界電力能源消耗的一半將來源于可再生能源發(fā)電。

在可再生資源中，風能是最重要的組成部分。全球風能資源豐富，據(jù)統(tǒng)計，全球風能潛力能占到當前全球用電量的5倍之多。同時，利用風能發(fā)電無污染，能降低全球二氧化碳排放量歐洲，再次，風能發(fā)電施工占地少，周期短，投資靈活，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，在風力發(fā)電中的得到了廣泛的應用。當前的風電機組已經(jīng)成為結(jié)合了先進的空氣動力學、機械制造、電子技術(shù)、微機控制技術(shù)的高科技產(chǎn)品，而風力發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分就是高科技的電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)對于風電機組的控制、電能的轉(zhuǎn)換、電能質(zhì)量的改善等都至關(guān)重要。

水能和太陽能也是可再生能源中重要組成部分。當前，我國的水電蘊藏大約為6.67億千瓦，能開發(fā)的大約為3.78億千瓦，但我國目前的水電年發(fā)電量僅為19200億千瓦時，開發(fā)潛力還很大。水能發(fā)電由于具有豐水期和枯水期，發(fā)電機組的最佳速度也要有不同變化。因此，發(fā)電運行時，需要將傳統(tǒng)的直流勵磁改成超低頻可變頻交流勵磁，用勵磁頻率的變化彌補發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的非穩(wěn)定變化，以保持當枯水期水頭下降時，水力發(fā)電機能持續(xù)發(fā)電。這需要現(xiàn)代電力電子技術(shù)來完成。太陽能光伏發(fā)電則給世界能源界注入了一股新鮮的力量，太陽能資源也是十分豐富，而大功率太陽能發(fā)電，不管使用獨立或并網(wǎng)的系統(tǒng)，都需要利用最大功率跟蹤功能的逆變器將太陽能陣列發(fā)電的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，這更需要現(xiàn)代電力電子技術(shù)來完成。

2.2 電力電子技術(shù)在電力節(jié)能中的應用

當前，現(xiàn)代工業(yè)能源與電力相結(jié)合的越來越密切，電力正以清潔、穩(wěn)定、利用率高以及適用范圍廣的眾多優(yōu)點，已在現(xiàn)代工業(yè)的各個方面得到廣泛利用，電能已是現(xiàn)代工業(yè)的動力之源與能量之泉。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，近幾年來，我國的工業(yè)用電總量正以每年15.9%的速度猛增，然而在很多發(fā)展中國家，工業(yè)用電還不夠合理，特別是在用電效率低、浪費嚴重。在世界化石能源日益枯竭的今天，降低電能消耗對于解決能源問題意義重大，而提高電源效率、降低電源消耗的根本途徑就是運用現(xiàn)代化電力電子技術(shù)來提高效率，優(yōu)化性能，還節(jié)約原材料。電力電子技術(shù)對世界的能源安全有著至關(guān)重要的作用。

2.3 電力電子技術(shù)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應用

電力電子技術(shù)是弱電控制強電的連接紐帶，是機電設(shè)備與計算機的重要媒介，電力電子技術(shù)為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件。在電力電子技術(shù)的應用中，在傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)中，許多勞動強度大、勞動環(huán)境惡劣的工作環(huán)境，通過工業(yè)控制系統(tǒng)把電能轉(zhuǎn)化為勞動力，把工人們從落后的勞動車間帶入到現(xiàn)代化的智能工作室，大大提高了勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了人力資源。解決了企業(yè)的眾多安全與環(huán)境問題。

2.4 電力電子技術(shù)在家用電器中的應用

電力電子技術(shù)不但在現(xiàn)代工業(yè)制成品得到廣泛應用，也給人們的衣食住行中帶來的極大的方便。電力電子控制學讓人們從繁雜的家務(wù)勞動中解放出來：譬如洗衣服只需要把衣服放進洗衣機，再按下按鈕，有空就可以拿出干凈的衣服；洗碗機能快速將油乎乎的餐具洗凈，同時，電力電子變頻技術(shù)使得家用電器既方便又節(jié)能，變速空調(diào)和變速熱泵能夠節(jié)約30%的電能，高頻熒光燈比白熾燈效率高2-3倍。

3.結(jié)束語

總之，電力電子技術(shù)是一個較年輕但極具發(fā)展前途的產(chǎn)業(yè)。是智力、信息、知識密集型的技術(shù)，有非常高的實用性，應用范圍非常的廣，每個用電產(chǎn)品幾乎都可以牽涉到電力電子技術(shù)，同時電力電子技術(shù)可以達到高效節(jié)能的目的。這個行業(yè)也必將進一步得到發(fā)展，必將節(jié)省更多的能源，為國民經(jīng)濟服務(wù)，成為國民經(jīng)濟中的一個重要產(chǎn)業(yè)。

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