电力电子技术的发展与应用

电力电子技术的发展与应用

作为电气自动化的学生，我们有必要对专业课程电力电子技术做个全面的了解。我们先对电力电子的定义做了解，再对电子电力技术的发展做大致介绍，最后综述电力电子技术的应用。

电力电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子设备和系统及其控制三个方面，涉及电力电子器件，电力电子设备和系统，电力电子技术在各个行业的应用。与以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于功率（电力）变换，所变换“电力”功率的范围小到数瓦（W），大到数百兆瓦（MW）甚至吉瓦（GW）。

电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术，电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。

电力电子技术的发展史：一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。

晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。

晶闸管时代，晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。 全控型器件和电力电子集成电路（PIC），70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。

…………………………　皇　燕　＿　

电力电子技术的发展及应用探究　西北民族大学电气工程学院刘增金　【摘要】电力电子技术，也被称为功率电子技术，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是一门新兴的应用于电力领域的电子技术。现代　电力电子技术是以高新技术知识为基础的一种知识密集型技术综合，是强弱电相结合的新学科，一方面它是电子学在高电压、大电流等强电或电工领域的一个分　支，另一方面它也是电工学在低电压、大电流等电流弱电或电子领域的一个分支。当前，电力电子技术与微电子技术的结合已成为当今技术发展的主流　电力电　子技术的应用，贯穿在电能的获取、传输、变换和利用的几乎每个环节，使用电效率、节能效益、供电质量大大提高。电力电子技术的应用电气自动化中发挥越　来越重要的作用，为电能的产生和利用搭起了桥梁，为电能的输出、应用提供了更好的方式和平台，从根本上提高了电能的应用效率。本文通过介绍电力电子技　术的发展及应用，阐述了电力电子技术在国民经济中的重要作用。　【关键词】电力电子技术；功率器件；逆变；能源　１．电力电子技术的发展　自上个世纪五十年代末第一只晶闸管　问世以来，电力电子技术开始登上现代电　气传动技术舞台。以晶闸管为基础开发的　可控硅整流装置，让电能的变换和控制从　旋转变流机组和静止离子变流器进入由电　力电子器件构成的变流器时代，是电气传　动史上的一次革命。随着电力电子技术理　论研究与制造工艺水平的不断提高，电力　电子器件的功能与应用迅速在得发展，先　后经历了整流器时代、逆变器时代和变频　器时代，随着电力电子技术在更多新领域　的应用与发展表明电力电子技术已经进入　现代电力电子时代。八十年代末期和九十　年代初期发展起来的、以功率ＭＯＳＦＥＴ和　ＩＧＢＴ为代表的、集高频、高压和大电流于　一身的功率半导体复合器件，表明传统电　力电子技术已经进入现代电力电子时代。　１．１晶闸管整流时代　大功率的工业用电由工频（５０Ｈｚ）　交流发电机来提供的，在应用过程中，大　约有２０％的电能是以直流形式消费的，譬　如电解（有色金属和化工原料需要直流电　解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机　车、地铁机车、城市无轨电车等）、直流　传动（轧钢、造纸等）等几大领域。大功　率硅整流器能够高效率的把工频交流电转　变为直流电，在上世纪六十年代和七十年　代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应　用快速发展。国内曾经掀起了各地大办硅　整流器厂的热潮，当前我国大大小小的制　造硅整流器的半导体厂家大多是那个时代　建设的。这一时期称之为电力电子技术的　晶闸管时代。　１．２电力电子技术的逆变时代　上世纪７Ｏ年代后，随着自关断器件　的出现，电力电子技术进入了逆变时代。　当时的世界范围的能源危机，让交流电机　变频调速因节能效果显著而得到了迅猛发　展。变频调速的关键技术是将直流电逆变　为０　ｌＯＯＨｚ的交流电，大功率逆变用的晶　闸管以及巨型功率晶体管（ＧＴＲ）和门极　可关断晶闸管（ＧＴＯ）很快成为当时电力　电子器件的主要角色。虽然这时的电力电　子技术已经能够实现整流和逆变的功能，　但仅局限在中低频范围内，工作频率相对　较低。　１．３现代电力电子变频器时代　上世纪八十年代后，大规模和超大　规模集成电路技术得到了广泛的应用，为　电力电子技术的快速发展打下了良好的基　础。集成电路技术的精细加工技术和高压　大电流技术有机结合应用。以功率ＭＯＳＦＥＴ　和ＩＧＢＴ为代表的集高频、高压和大电流于　一身的功率半导体复合器件以及以低频技　术处理问题为主的传统电力电子学正在向　高频技术处理问题为主的现代电力电子学　转变。这种现象表明，传统电力电子技术　已经进入现代电力电子变频器时代。这一　时期，各种新型器件应用大规模集成电路　技术，向复合化、模块化的方向发展，让　电力电子器件结构紧凑、体积缩小，同时　能够综合不同器件的优点。这些新型器件　的发展，为交流电机变频调速提供了较高　的频率，使其性能更加完善可靠，同时使　现代电子技术不断向高频化发展，为用电　设备的高效节材节能、实现小型轻量化、机　电一体化和智能化打下了重要的技术基础。　２．电力电子的技术应用　当前，电力电子技术的应用越来越　广泛。世界上一些先进工业国家正处于由　“工业经济”模式向“信息经济”模式转　变的时期，而电力电子技术是改造传统产　业、支持高新技术发展的基础，是信息产　业与传统产业之间的桥梁纽带，近些年　来，随着新型器件的开发与性能的改善与　提高，更多高性能的电力变流装置已经被　广泛使用。这不仅促进了电力电子学自身　的发展，而且影响着半导体材料技术、大　规模集成电路技术、自动控制技术、信息　传递与处理技术及电路拓扑技术的进步。　因此，电力电子技术的应用已经成为一门　有着广阔应用前景，发展方兴未艾的技　术，在国民经济中的地位越来越重要。　２．１电力电子技术在再生能源发电中　的应用　当前世界的能源结构，仍是以资源有　限、污染严重的化石燃料为主要电力能源，　但清洁干净的可再生能源如太阳能、风　能、水能、海洋能、生物质能、地热能、　燃料电池等再生能源也开始进入快速发　展时期。这些新兴的绿色能源，以其永不　（下转第２５页）　／＇２０１１．０９／电．Ｉｔ盛鼻

【应用管理】

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等血多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。随着电力电子、计算机技术的迅速发展，交流调速取代直流调速已成为发展趋势。变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。变频技术是交流调速的心技术，电力电子和计算机技术又是变频技术的核心，而电力电子器件是电力电子技术的基础。电力电子技术是近几年迅速发展的一种高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。一、电力电子技术应用用电领域中的电力电子技术，电动机的优化运行。全世界的用电量中约有60％左右是通过电动机来消耗的。高能量密度的电源应用，电化学电源广泛应用在作为国民经济的铜、铝、锌、镍等有色金属以及氯碱等电解产业中；体积小、重量轻、效率高的各种开关电源应用也是十分广泛；信息领域中的电力电子技术，电力电子技术为信息技术提供先进的电源和运动控制系统，日益成为信息产品中不可缺少的一部分；发电领域中的电力电子技术，发电机的直流励磁。常规发电机中励磁的建立已经由传统的直流磁励机转变为由中频交流励磁机加电力电子整流的方法，并已取得良好的经济效益，可靠性较高。水轮发电机的变频励磁。发电频率取决于发电机的转速，采用了电力电子技术后，将水轮发电机直流励磁转变为低频交流变频励磁。当水流量减少时，提高励磁频率，可以把发电频率补偿到额定，延长水轮发电机的发电周期，解决了水力发电中发电机工作时间受季节性水流量影响而导致的频率无法调节、浪费较多水能的问题；环保型能源发电，利用太阳能、风能、潮汐能、地热能等新能源发电，是解决一次能源危机（煤、石油、天然气等石化类能源日趋匮乏）的重要途径，它们是可再生的绿色能源。二、电力电子器件发展趋势纵观几十年的发展历史，半导体器件起到了推动电子技术发展的作用，晶闸管等电力半导体器件扮演了电力电子发展中的主要角色。电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺，己成为世界各国工业自动化控制和机电一体化领域竞争最激烈的阵地，各发达国家均在这一领域注入极大的人力，物力和财力，使之进入高科技行业，就电力电子技术的理论研究言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧国家可以说是齐头并进，在这些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善，促进电力电子技术向着高频化迈进，实现用电设备的高效节能，为真正实现工控设备的小型化，轻量化，智能化奠定了重要的技术基础，也为21世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。1.全球范围内石油储量、煤储量逐渐在减少，生态平衡也严重受到破坏，环境污染越来越严重,现在世界各国普遍关注新能源的应用..新能源发电中的电力电子技术应用特点如下：一次能源供给随机性大，风能、太阳能都随天气情况而有很大变化;并网发电要求高，电网侧要求输入电能波动小，电能质量高等。2.电力牵引（electrictraction）是利用电能为动力的一种轨道运输牵引动力形式。电力机车或动车的牵引电动机将电能转换为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道交通电动车辆组运行。因此，在以后的发展中，要不断应用先进的技术来扼杀电力牵引的缺点，达到尽量完美。3.智能电网，就是电网的智能化，它是建立在集成的高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。智能电网技术正蓬勃发展，太阳能和风能发电是智能电网的分布式发电组成部分。从更高的层面来讲，现今的电网变得比以往更大、更安全及更高能效，但其智能化程度仍然偏低，故智能电网是当今的重要发展趋势。我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比，仍有较大的差距，要发展和创新我国电力电子技术，并形成产业化规模，就必须走有中国特色的产学创新之路，即牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。从跟踪国外先进技术，逐步走上自主创新，从交叉学科的相互渗透中创新，从器件开发选择及电路结构变换上创新，这对电力技术创新是尤其实用的。目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。国产电力半导体器件研发生产能力还落后于世界电力电子器件的发展水平，在新世纪国际电力电子崛起之时，中国电力半导体器件的落后状态将会影响中国经济的发展，国产电力半导体器件产业任重而道远。从发展前景看，以电力半导体器件及“变频技术”为核心的电力电子行业，在国家政策的强持下将会走向更加辉煌的明天。电力电子技术的应用及其发展刘云霞（北方机电工业学校河北张家口075000）摘要：随着科技的不断发展和人们要求的不断提高，电力电子技术的应用越来越广泛。电力电子技术作为信息产业和传统产业之间的桥梁，它将在国民经济中占有很重要的作用。本为主要从电气节能、新能源发电、电力牵引以及智能电网这几个领域对电力电子技术的应用进行分析。关键词：电力电子；技术；应用及其发展刘云霞：电力电子技术的应用及其发展

精品文档 你我共享

腹有诗书气自华 浅析电力电子技术的发展及应用

张友均

摘要：本文主要简要回顾了电力电子技术的发展史，简述了电力电子在电力系统中的一些应用及发展趋势。

关键词：电力电子技术；发展史；电力系统；应用；发展趋势

1 引言

自上世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气控制技术舞台，标志着电力电子技术的诞生。究竟什么是电力电子技术呢？美国电气与电子工程师协会下设的电力电子学会对“电力电子技术”的阐述是：有效的使用电力半导体器件，应用电路设计理论以及分析开发工具，实现对电能高效能变换和控制的一门技术。对电能的高效能变换和控制包括对电压，电流，频率或波形等方面的变换。它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。它是介于电力、电子和控制三大领域之间的交叉学科。目前，电力电子技术的应用已遍及电力、汽车、现代通信、机械、石化、纺织、家用电器、灯光照明、冶金、铁路、医疗设备、航空、航海等领域。进入21世纪，随着新的理论、器件、技术的不断出现，特别是与微控制器技术的日益融合，电力电子技术的应用领域也必将不断地得以拓展，随之而来的必将是智能电力电子时代。

2 电力电子技术的发展史

电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

2.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频( 50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解) 、牵引(电气机车、电传动的精品文档 你我共享

腹有诗书气自华 内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。