现代电力电子技术的发展

摘要： 本文简要回顾电力电子技术的发展，阐述了现代电力电子技术发展的趋势，论述了走向信息时代的电力电子技术和器件的创新、应用，将对我国工业尤其是信息产业领域形成巨大的生产力，从而推动国民经济高速、高效可持续发展。

关键词： 现代电力电子技术；应用；发展趋势

 

The Development of Modern Power Electronics Technique

 

Ma Yue

Electrical Engineering College. Zhejiang University.

Hangzhou 310027, China

  Abstract: This paper reviews the development of power electronics technique , as well as its current situation and anticipated trend of development.

Keywords: modern power electronics technique, application, development trend.

 

 

1、             概述

自本世纪五十年代未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，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使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，这标志着电力电子的诞生。

那么究竟什么是现代电力电子技术呢？ ^[1] 麻省理工学院的 KASSAKIAN 教授的观点是：“目前电子技术的典型应用是信息处理，这些应用都需要电源提供电能；而电力电子技术主要关心的是能量处理，它把电能从一种形式高效地转换成另外一种形式”，这里强调的是电能的转换和利用效率。九州大学的原田耕介先生认为：“电力电子技术是一种借助于半导体功率器件的开关技术”，这里强调的是电力电子器件的开关作用。柏林工业大学的 HEUMAN 教授认为：“电力电子技术借助于半导体功率器件对电能进行控制”，这里强调的是对电能的控制。综上所述，电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，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。

从几十年的发展来看， ^[2] 半导体器件确实起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。进入 70 年代，晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品。普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出 GTR 、 GTO 、功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。这些年来的经验表明： ^[2] 当某种关键的半导体器件诞生后，往往会引起电子技术的一个飞跃。可以看到，以绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展，这又是一个飞跃。而进入 90 年代，电力电子器件正朝着复杂化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成了电力电子技术的理论研究，器件开发研制，应用的高新技术领域，在国际上竞争颇激烈。

目前， ^[3] 电力电子技术的应用已从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等领域，进一步扩展到汽车、现代通信、家用电器、医疗设备、灯光照明等领域。进入 21 世纪，随着新的理论、新的器件、新的技术的不断涌现，特别是与微电子（计算机与信息）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、             电力电子技术的主要应用概况

电力电子技术以实现功率变换为主，传递的是电能，微电子技术则以实现信号变换为主，传递的是信息。如果说微电子技术是弱电电子的话，电力电子技术则是强电电子，是现代工业电子。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，将在新世纪发挥越来越重要的作用。 ^[4] 概括地说，电力电子技术就是在采用电力半导体器件实现各种频率变换的基础上，完成运动控制（ Motion Control ）和功率变换（ Power Conversion ），提供各种变频器和功率控制电源。

2.1 发电领域中的电力电子技术

（ 1 ）发电机的直流励磁

现在，常规发电机中励磁的建立，已经从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，并已取得较好的技术经济效益，可靠性大为提高。

（ 2 ）水轮发电机的低频交流变频励磁

    发电频率取决于发电机的转速。而水力发电受水流量随季节的变化，特别是枯水期水流量明显减少的影响，频率无法调节到额定（ 50Hz ），只好放弃发电，缩短发电机工作时间，浪费了许多水能。现在，采用电力电子技术，把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，使水轮发电机的发电周期大大延长。这对三峡电站等大型水力发电设施来说，将带来巨大的经济效益。

（ 3 ）可再生能源发电中的电力电子技术

    利用风能、太阳能、潮汐能、地热能等新能源发电，是克服能源危机（煤、石油、天然气等石化类能源日趋匮乏）的重要措施，它们是可再生的绿色能源，对环境和气候的影响也会得到缓解。但是这些能源转换的电能，其电压、频率难免波动，无法并网应用。通过电力电子变换装置，使这些波动的电能以恒压恒额方式输出，实现这些新能源的实用化。