淺談電力電子技術

【摘要】電力電子技術正在不斷發展，新材料、新結構器件的陸續誕生，計算機技術的進步為現代控制技術的實際應用提供了有力的支持，在各行各業中的應用越來越廣泛。電力電子技術在電力系統中的應用研究與實際工程也取得了可喜成績。

【關鍵詞】電力電子電路；電力電子；電子元件

電力電子技術誕生近半個世紀以來，使電氣工程、電子技術、自動化技術等領域發生了深刻的變化，同時也給人們的生活帶來了巨大的影響。目前，電力電子技術仍以迅猛的速度發展著，新的電力電子器件層出不窮，新的技術不斷涌現，其應用范圍也不斷擴展。不論在全世界還是在我國，電力電子慢慢的被人所熟知，下面我們就電力電子電路和其應用、結構等進行簡單闡述。

1.電力電子電路

1.1 電子電路的概念

電子電路時利用電力電子器件對工業電能進行變換和控制的大功率電子電路。因為電路中無旋轉元、部件，故又稱靜止式變流電路，以區別于傳統的旋轉式變流電路（由電動機和發電機組成的變流電路）。電力電子電路始見于20世紀30年代，包括由氣體閘流管和汞弧整流管組成的低頻變流電路和由高頻電子管組成的變流電路。它們構成了第一代電力電子電路。60年代由晶閘管組成了第二代電路，泛稱半導體電力電子電路（又稱半導體變流電路）。80年代，由于可關斷晶閘管（GTO）和雙極型功率晶體管（GTR）等新型器件的實用化，又逐漸在不同領域中取代了普通晶閘管并形成第三代電路。由于它們具有控制極關斷和工作頻帶較寬的優點，使電力電子電路具有更佳的技術和經濟性能，獲得了更為廣泛的應用。

1.2 電力電子電路的特征

電力電子器件一般都工作在開關狀態導通時（通態）阻抗很小，接近于短路，電壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時（斷態）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動態特性（也就是開關特性）和參數，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替

1.3 典型電力電子電路的系統結構

電力電子電路的系統包括以下三種：

（1）電力電子器件：如功率二極管、晶閘管、功率MOSFET、IGBT、MCT等，分為不控型、半控型、全控型三種類型。

（2）電力電子電路：包括整流（AC/DC變換）、逆變（DC/AC變換）、直流變換（DC/DC變換）、交流變換（AC/AC變換）四大基本類型的變換電路。

（3）電力電子電路的輔助電路：包括控制電路、驅動電路、緩沖電路、保護電路等幾大類電路。

1.4 電力電子電路的分類

按實現電能變換時電路功能分類，可分為4種。

①整流電路（AC/DC變換電路）：具有整流功能的電路。凡將交流電能轉換為直流電能的過程泛稱為整流。

②逆變電路（DC/AC變換電路）：具有逆變功能的電路。凡將直流電能轉換為交流電能的過程稱為逆變。

③交流變換電路（AC/AC變換電路）：能將交流電能的大小和頻率加以改變的電路。前者稱交流調壓電路；后者稱變頻電路。

④直流變換電路（DC/DC變換電路）：能將直流電能的大小和方向加以改變的電路。由于采用斬波控制方式，故又稱直流斬波電路。

2.電力電子技術的應用

自20世紀80年代，柔性交流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術在電力系統中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現。已有不少文獻介紹和總結了相關設備的基本原理和應用現狀。以下按照電力系統的發電、輸電和配電以及節電環節，列舉電力電子技術的應用研究和現狀。

2.1 在輸電環節中的應用

電力電子器件應用于高壓輸電系統被稱為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網的穩定運行特性。配電系統迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態的波動和干擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用，即用戶電力（Custom Power）技術或稱DFACTS技術，是在FACTS各項成熟技術的基礎上發展起來的電能質量控制新技術。可以將DFACTS設備理解為FACTS設備的縮小版，其原理、結構均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場介入相對容易，開發投入和生產成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預期DFACTS設備產品將進入快速發展期。

2.2 在節能環節的運用

在電氣設備中，變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載，這些設備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質量不可缺少的部分。在電力系統中應保持無功平衡，否則，將會使系統電壓降低，設備破壞，功率因數下降，嚴懲時會引起電壓崩潰，系統解裂，造成大面積停電事故。所以，當電力網或電氣設備無功容量不足時，應增裝無功補償設備，提高設備功率因數。

2.3 優化電能的使用

通過電力電子技術對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節約，實現了電能使用最佳化。例如，在節電方面，針對風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙、工業窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調查，潛在節電總量相當于1990年全國發電量的16%，所以推廣應用電力電子技術是節能的一項戰略措施，一般節能效果可達10%-40%。

3.電力電子技術目前在我國存在的主要問題

雖然我國電力電子的開發研究已有50年歷史，過去已經取得了長足的進步，但是與超大規模集成電路的發展一樣，該領域科技發展速度太快，加之我國財力和原有基礎薄弱等因素的限制，特別是當前面臨國外高科技沖擊等原因，我國電力電子有種被“邊緣化”的趨勢：即各行各業都迫切需要它，但是，各應用領域均沒將其作為研究重點，國內解決不了的就依靠進口！

當前存在的主要問題是：目前我國生產的大多數電力電子產品和裝置還主要基于晶閘管；雖然也能制造一些高技術的電力電子產品和裝置，但是它們均是采用國外生產的電力電子器件和組件多以組裝集成的方式制造的；特別是先進的全控型電力電子器件則全部依賴進口，而許多關系到國民經濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術、軟、硬件和關鍵設備，國外均是對我國進行控制和封鎖的。特別是關系到國民經濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術與國外先進水平的差距更大，迅速改變這一現狀是我們面臨的挑戰和義不容辭的任務。

參考文獻

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