電力電子技術在電氣工程中的應用

安徽電氣工程職業(yè)技術學院 王 芳

電力電子技術在電氣工程中的應用

安徽電氣工程職業(yè)技術學院 王 芳

隨著社會經(jīng)濟體系完善，我國行業(yè)都取得了跨越式的發(fā)展，各工程項目已成為我國經(jīng)濟總收入的重要組成部分。在電氣工程中，為適應社會發(fā)展需求，將電力電子技術科學、高效的應用在電氣工程中，不僅可以提高運行效率，更能促進電氣工程持續(xù)健康發(fā)展，對電氣工程來說具有重要的作用。本文將圍繞電力電子技術的內涵和發(fā)展現(xiàn)狀，以及在電氣工程中的具體應用展開分析，并提出電力電子技術在電氣工程中應用的優(yōu)化策略。

電子電力技術；電氣工程；應用

近幾年，隨著科學技術水平的不斷進步和發(fā)展，電力電子技術日趨成熟，應用范圍愈加廣泛，包括工業(yè)、農業(yè)、交通、國防等多個領域。電力電子技術就是利用電子設備及電子技術對電能進行轉換和控制，實現(xiàn)了弱電子控制強電力的一種新興技術。在電氣工程中，電力電子技術已經(jīng)成為必不可少的一部分，在電動機和發(fā)電機中的應用更加突顯其優(yōu)勢，不僅提高了電能生產與利用、轉換等方面的效率，起到節(jié)約能源的作用，更能增強電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，對各領域的持續(xù)發(fā)展具有深遠的意義。

1 電力電子技術的概述

電力電子技術是一種新興的應用于電力領域的電子技術，主要是利用電力電子器件對電能進行轉換和控制的技術[1]，其中電力電子器件包括閘管、GTO（高斯型軌道）、IGBT（大功率半導體開關器件）等。電力電子技術多轉換的電能功率小到1W或是1W以下，達到兆瓦甚至是千兆瓦，與信息電子技術不同之處是電力電子技術主要是實現(xiàn)電力轉換，而信息電子技術主要是處理相關信息數(shù)據(jù)。

電力電子技術根據(jù)實用功能可分為電力電子器件制造技術和變流技術兩個部分[2]，變流技術的內容包括整流、逆變、斬波、變頻等。目前，電力電子技術已經(jīng)成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)中主要的專業(yè)基礎課，對培養(yǎng)專業(yè)技術人才起到關鍵性作用。

電力電子技術的涵蓋范圍比較廣，包括電子學、電工原理以及自動控制三大學科，因其大功率的特點，通常服務于強電工業(yè)，也屬于電工類學科。電力電子技術的主要內容包括電子器件、電力電子電路與電力電子裝置以及對應系統(tǒng)。電力電子器件基于半導體材料，常用材料為單晶硅，所以說電力電子器件是以半導體物理學為理論基礎，以半導體器件工藝為主要工藝技術。近幾年，隨著高端科技的發(fā)展，微電子學技術被廣泛應用在電力電子器件中，因此，現(xiàn)如今的電力電子技術良好繼承了電子學的理論基礎，結合電力電子器件的特點以及電能轉換的基本要求，成功的開發(fā)出多種電能轉換電路[3]，例如控制、觸發(fā)、顯示、保護、信息處理等二次回路以及外圍電路，再將這些電路應用于不同領域中，進而組成了多種用途的整機，也被叫做電力電子裝置，然而將這些裝置與負載、配套設施等構成了一個系統(tǒng)。電力電子技術的主要作用包括優(yōu)化電能使用、改造傳統(tǒng)產業(yè)與發(fā)展機電一體化等新興產業(yè)、促進機電設備向高頻化方向發(fā)展以及電子技術改革。

2 電力電子技術的發(fā)展進程

眾所周知，晶體管的出現(xiàn)標志著固態(tài)電子時代的到來，可以說晶閘管的誕生意味著電子技術將奔向更高的發(fā)展軌道。近幾年，隨著各種高端技術不斷涌現(xiàn)，電力電子技術得到了發(fā)展，應用范圍越來越廣泛。回顧電力電子技術的發(fā)展歷程，可以總結出電力電子技術經(jīng)歷了晶閘管時代、逆變時代和變頻時代三個階段。

首先是晶閘管時代，晶閘管時代也叫作晶閘管整流時代，在上世紀六十年代和七十年代中取得了較為優(yōu)異的成績。在當時主要是用過50HZ的交流發(fā)電機為工業(yè)生產提供大功率服務，而直流供電僅占一小部分。當代，我國諸多電廠為滿足工業(yè)生產供電需求，急需將交流電轉換成直流電，因此，大功率的晶閘管和硅整流器順勢而生，可以從根本上解決直流電的供電需求，從此便進入了晶閘管整流時代[4]。

其次是逆變時代，在上世紀七十年代后，世界范圍內出現(xiàn)了嚴重的能源危機，人們對節(jié)約能源越加關注，國家為緩解能源危機，制定了節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，未響應國家號召，工業(yè)生產常使用交流電機。在此背景下，自關斷器件得到開發(fā)和利用，隨之進入電力電子技術的逆變時代。逆變就是將直流電轉換成交流電，可以有效節(jié)約能源，提高工業(yè)生產效率，其中就包括GTO、GTR以及大功率逆變晶閘管。

最后是變頻器時代，在逆變時代中，雖然有效的將直流電轉換成交流電，實現(xiàn)了電流的逆變的整流，但相對來講，逆變的工作效率較低，無法滿足工業(yè)生產的供電需求，繼而在上世紀八十年代后期，為提高電力供電效率，集成電路應運而生。集成電路可以將高壓大電流技術和經(jīng)濟加工技術完美融合，從此進入電力電子變頻器時代，電力電子技術得到進一步發(fā)展。在此時期，電力電子器件所處的環(huán)境越加復雜，各器件的結構也隨之越來越緊密，功能越來越強大，這也標志著電力電子技術未來應朝著高頻化的方向發(fā)展。

3 電力電子技術應用在電氣工程中的重要意義

電力電子技術是在計算機技術和自動化控制技術的基礎上實現(xiàn)電能間互相轉換的這一功效，因此，電力電子技術不僅可以提高電氣系統(tǒng)的工作效率以及強化電氣系統(tǒng)的自控能力，更能提升電氣系統(tǒng)的服務質量，以便更好的服務于強電工業(yè)，對電氣工程具有重要意義，主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，電力電子技術可以有效提高電氣系統(tǒng)的自動智能化程度。電力電子器件的不斷開發(fā)和應用為電力電子技術提供了更為廣闊的發(fā)展空間，有效促進了電氣系統(tǒng)向自動智能化方向發(fā)展，而模糊控制和智能化控制的飛速發(fā)展又為電力電子器件的發(fā)展奠定了堅實的基礎。第二，電力電子技術可以增加經(jīng)濟效益和社會效益[5]。由于電力電子技術的大功率特點，可以有效提高電力電子器件和電氣系統(tǒng)的工作效率以及電能轉換效率，還可以節(jié)約資源和能源，更能為公眾提供安全、可靠的電力資源，可以說對經(jīng)濟效益和社會效益兩方面具有深遠的意義。第三，電力電子技術的應用不僅可以在技術方面發(fā)揮優(yōu)勢，更能為企業(yè)發(fā)展提供完善的產業(yè)結構和管理模式。電力電子技術的進一步發(fā)展，刷新了企業(yè)管理者的發(fā)展觀，不僅為企業(yè)發(fā)展提供先進的技術支持，更能重新審視企業(yè)運行的產業(yè)結構和管理模式，為順應時代發(fā)展趨勢，企業(yè)管理者不得不制定符合時代特征的管理模式，開發(fā)新型產業(yè)，從而為企業(yè)持續(xù)發(fā)展提供充足保障。

4 電力電子技術在電氣工程中的具體應用

晶閘管是電力電力器件發(fā)展的基礎，對我國電氣工程發(fā)展具有至關重要的作用。隨著電力技術的飛速發(fā)展和不斷完善，交流變頻技術逐漸被推廣應用，而作為第一代電力電子器件，半控型晶閘管已經(jīng)無法跟上現(xiàn)代化電氣系統(tǒng)發(fā)展的腳步，自此，第二代全控型電力電子開關得到開發(fā)和應用，主要包括CTR、GTO、P-MOSEFT（電壓驅動器件）等，主要是為了使各種器件能夠更好適應各個電流、電壓額等電氣系統(tǒng)。第二代全控型電力電子開關在實際應用中較大的控制電流予以支撐，這也為電流的控制增加了不小的難度。其中MOSEFT作為一種電壓驅動器件，不僅對驅動電力沒有太大的要求，更能提高器件的開關速度，使器件在安全工作區(qū)可以穩(wěn)定、順暢運行。然而，MOSEFT的同臺電壓額會隨著額定電壓的增高而加倍增高，限制了P-MOSEFT的發(fā)展。因此，為適應各種器件的運行需求，新一代復合型電力電子器件IGBT和MGT順勢而生，其中IGBT具有高輸入阻抗、高速運轉的的特性，與MOSEFT不盡相同，另一方面，還具有與GTR相同的大電流面密度特性，是一種混合型器件[6]。相比第一代和第二代電力電子器件來講，新一代復合型電力電子器件IGBT和MGT以其高效的開關速度、較低的通態(tài)電壓和寬且穩(wěn)的運行效率以及驅動電路簡單等優(yōu)勢特點，在電氣系統(tǒng)中被廣泛應用，更加符合現(xiàn)代化電氣工程對電力器件的根本需求。新一代復合型電力電子器件，在機械復合化技術的支持下，無論是生產規(guī)模還是推廣力度都在不斷擴大和加強，在電力電子器件復合化發(fā)展的同時，深入推進電力電子器件向模塊化方向發(fā)展對其未來更為關口的發(fā)展空間提供更多可能。

隨著電力電子器件的不斷完善和進步，為更好適應電力電子器件的需求，由電力電子器件構成的變換器電路也隨著不斷更新和完善，原有的變頻器電力基本上無法滿足新一代電力電子器件的需求[7]。而諧奪式直流環(huán)逆變器可以從根本上滿足新一代電力電子器件的需求，不僅能夠降低開關運行的電能損耗，提高開關效率，而且將年便器放在高頻振蕩過零的諧振電路上，還能夠使電子器件在零電壓或零電流的情況下進行自由轉換。因此，加強變頻器電流從低頻向高頻方向發(fā)展，對電氣工程具有至關重要的作用，不僅可以節(jié)約能源，降低企業(yè)成本，還能促進電力系統(tǒng)走向集成化發(fā)展的道路上，發(fā)展前景關闊。

近幾年，隨著電氣系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對交流雕塑控制理論的研究越加深入，研究的目的是為了將復雜的適量變化和電動數(shù)學模型的處理簡單化。研究的主要內容針對交流調速控制理論的獨特性和創(chuàng)造性，以及控制結構簡單、手法直接等方面，明確了信號處物理的概念，具有轉矩響應迅速、提高調速效率等作用，成功打破了傳統(tǒng)交流調速方式，符合現(xiàn)代化電氣自動化技術發(fā)展的要求[8]。

在變頻技術日趨成熟的基礎上，高靜態(tài)性能矢量控制性開始被公眾認可，并開始大量投入生產和實際應用中。高靜態(tài)性能矢量控制性主要是利用全數(shù)字控制和相關軟件對電氣系統(tǒng)實施自動化設定和智能化操作，以便提高變頻器的變頻結構控制盒的自適應控制能力[9]。在社會飛速發(fā)展的今天，各種先進的技術手段不斷涌現(xiàn)，與人們生活、工作之間的聯(lián)系越加緊密。在電氣工程中，基于單片機自動控制技術，變頻器運行的高效性、可控性、可維修性等一系列功能得到充分挖掘，并且不斷提高，對電力電子技術的發(fā)展起到至關重要的作用。

結束語

綜上，電力電子技術的一系列研究對于電氣工程的發(fā)展具有深遠的意義。通過分析電力電子技術在電氣工程中的應用，我們可以總結出，這項技術能否更穩(wěn)更快的發(fā)展對于電氣工程起到?jīng)Q定性的作用。相關技術人員應充分掌握該項技術的技術要點、操作技巧和涵義，才能在實際應用中充分發(fā)揮電力電子技術的優(yōu)勢，更好的服務于強電工業(yè)，不斷探索更加符合社會發(fā)展需求的技術方法，為電氣工程持續(xù)健康發(fā)展提供可靠的技術保障。

[1]辛自愿．電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．建筑工程技術與設計,2016(27)．

[2]李敏．電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．通訊世界,2015(23)．

[3]劉飄羽．關于電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．科學與財富,2016(7)．

[4]許志偉,黃雪原．電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．大科技,2016(6)．

[5]郁瑾．電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．城市建設理論研究(電子版),2015(30)．

[6]王曉明．電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．裝飾裝修天地,2016(13)．

[7]胡欣然,張海濤,劉洋等．電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．山東工業(yè)技術,2016(13)．

[8]胡潤華．電力電子技術在電氣工程中的應用[J]．建筑工程技術與設計,2015(12)．

[9]邸景立．電力電子技術在電氣工程中的應用淺談[J]．建筑工程技術與設計,2015(13)．

王芳（1971—），女，大學本科，現(xiàn)供職于安徽電氣工程職業(yè)技術學院，主要從事電氣自動化教學研究。