電子技術在電氣控制中的應用分析與發展

甘星，詹奕琨，徐詠康

南昌工程學院，江西南昌，330099

1 電子技術基本概念與發展特點

1.1 電子技術簡介

電子技術是指一門專門研究電子元件與元器件電路構造和運用的科學技術，目前電子技術主要有信息電子技術和電力電子技術這兩大塊范疇。由于現代科技的迅速發展,電力電子系統也逐步向自動化的方面發展。電力電子系統具有可靠性高、節能效果明顯等特點，目前電子信息技術已經滲透到工業生產和電能輸送等領域，并發揮了巨大作用。在不斷發展和進步的過程中，電力電子技術和信息電子技術之間相輔相成、共同進步。信息電子技術領域可分割為數字電子技術與模擬電子技術兩大部分，而電力電子技術是現在電力系統的基石。在電力電子技術方面，轉換的“電力”與電力系統中的“電”并不相同。雖然它們都有“電”這個詞，但是后者比較具體，特別是電力網的“電”，而前者的范圍更廣。簡單來說，就是將利用電力電子器件技術來改變和操作電能的技術稱為電子技術。

1.2 電子技術的發展歷程

19世紀末電子技術開始騰飛發展，在當時迅速地成為一種新興技術并引起了重視。早在20世紀初，真空管被引入到通信和無線電領域中，電子技術便開始出現在電力領域，成為同類技術中的第一個。晶體管誕生于20世紀中葉，引發了電子學領域的電子技術革新。在20世紀下半葉，第一個用于電力領域的裝置是硅二極管。七十年代末，全控型器件開始出現。硅二極管是在晶體管發明的基礎上發展起來的，其發明是電子技術發展歷史上的重大突破，對我國電力電子技術發展具有重要意義，推動電力技術發展再上新臺階。

20世紀80年代末，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）帶來了一場新的改變。IGBT將MOSFET與GTO的優點結合在一起,在許多應用中得到了廣泛的應用，一直到今天，這些技術都在不斷地發展和完善。一方面，由于負載的變化，會造成開關的頻繁切換；另一方面，傳輸過程中工作設備的損失也在迅速攀升。為了降低開關的損耗、延長開關的使用壽命，軟開關技術應運而生，開發了以零電壓開關和零電流開關為基本形式的軟開關技術。

1.3 電子技術的特點與發展方向

電子技術的特征和發展方向有如下四個方面：①通過對大數據的精準分析，信息管理工程技術已經廣泛應用于生活的方方面面；②工業生產中的大規模非手工化工作將由機器人取代，同時機械工業的生產方式也發生了巨大的變化；③電子信息識別、智能信息抽取和傳輸；④通過信息化、智能化環境實現機械過程的自動控制。

2 電子技術與電氣控制的關系

2.1 電氣控制發展情況與面臨問題

近代物理學的快速發展，為我們提供了強大的理論基礎，在這一基礎上，我國的電控技術迅猛發展，應用范圍更廣，到處都能發現此技術的應用。當然，技術在發展，人們對物質生活的追求也更高，給電氣控制技術帶來了全新的挑戰。現今，電氣控制技術不同于以前，以往電氣控制技術沒有電子技術的支持，應用范圍窄，目前電氣控制技術和其他技術緊密聯系，比如電子技術、數字電子以及電子通信等。這使得電氣控制技術的應用更加全面，跟各行各業都有著千絲萬縷的關系。隨著技術的不斷突破，電氣控制技術在應用層面越來越穩定，具有操作便捷、準確度高、節能環保和安全等特點，這些特點相結合，造就了現代電子控制技術得天獨厚的優勢。通過應用電氣控制技術，人們的生活和工作方式得以改善，變得更加舒適快捷，使我國電氣技術的應用更加生活化，電氣控制與人們的日常生活也結合得越來越密切。

簡單來說，電氣控制技術是將技術應用到實際的技術，目的是提高生產力。但在應用過程中，有個突出問題，這關系到我國的信息安全和國民的人身安全，即加強該項技術的安全性至關重要、刻不容緩，同時電力系統運行的穩定性和操作的復雜性也是問題之一，我們不僅要創新，使復雜操作簡單化、自動化，更要最大程度地保證技術應用的安全。

2.2 電子技術在電氣控制中的作用優勢

2.2.1 提高電力系統運行的安全性

電力系統也是一把雙刃劍，在給我們帶來便利的同時，也存在著安全隱患，系統若出現故障，就極有可能造成安全事故，進而危及財產安全以及人身安全，所以必須保證電力系統的安全性。基于這一背景，電力系統與電子技術的結合就能很好地解決這一問題，電子技術能夠代替人工，實現全天監視電力系統的運行狀況，同時會根據標準判斷系統是否正常。若系統出現異常，會自動嘗試修復；若修復無果，則會關閉電力系統，避免安全事故的發生，并及時通知工作人員，對故障現場第一時間進行搶修。

2.2.2 拓寬電氣控制的發展領域

以往的電力系統無法做到與各個領域的技術結合、可拓性低，而現在，電子技術相當于電力系統與其他先進技術之間的紐帶。將電力系統與先進技術相結合，實現對電子設備的控制，推進相關企業朝著更加安全、智能化的方向發展。

實現電力系統升級。目前，我們所使用的電力系統龐大且復雜，整個系統中，不僅有電氣控制技術，還需與多個領域的技術相結合，比如能源行業的技術，其操作復雜，電子技術能大大減少其中所要花費的時間，使復雜問題簡單化，使整體設計更加嚴格和實用，提高了系統的運行效率和電能的生產運輸質量，尤其是現在的特高壓技術，人工操作風險太高，沒有電子技術的支撐是絕對辦不到的。

3 電子技術在電氣控制中的一些常用應用與問題

3.1 PWM控制技術

PWM控制技術是指對脈寬進行人工改變，也就是通過改變一連串的脈沖寬度來得到預期的波形。根據自動控制的原理，使用形狀各異但面積相等的脈沖，可以達到相同的效果。這個原理被稱為面積等效原理，是PWM技術對波形進行改變的基礎。

在逆變電路中的應用是PWM在電氣控制中的一個重要方面，逆變電路在工業生產和電能輸送方面得到了廣泛和成功的應用，其中PWM功不可沒。除了少數逆變器外，逆變電路大都由PWM控制，使得電力電子器件的選取變得容易，為人類的生活帶來了極大的便利。交直流變流電路中的斬控式電路和逆變器電路是PWM技術的主力軍，目前它們的應用領域還有待探索，但變頻電路具有易集成化的優點，長期發展前景很好。

3.2 軟開關技術

過去，在電子技術仍然采用硬開關技術情況下，經常會出現開關噪聲、開關損耗這兩個棘手的問題。而開關頻率越高，噪聲和損耗就越大。因此，如果持續使用這種開關技術，隨著其頻率升高，噪聲和損耗會越大，開關的可使用時間下降，增加了開關的成本。于是軟開關技術應運而生，有效地解決了這兩個問題。一方面，通過減小開關時的電流電壓消除了電壓和電流的重疊，把電流的變化控制在合理區間，從而大大降低或消除了開關電流損耗。另一方面，將開關諧振過程中的電壓電流控制在理想的范圍內，解決了損耗和噪聲的問題。

3.3 電子技術應用方面的共性問題

在電氣電子設備的串聯及并聯使用中，當單個設備的電流或電壓達不到要求時，需要把單個的器件串聯或者并聯起來工作，或與單個設備串并聯。當晶閘管電壓小于真實的需求，可將兩個或多個的同型器件連接起來；如果晶閘管的額定電壓大于真實的需求，則可以利用電容器來補償電流或電壓的不足。然而，由于一系列裝置的漏電電流是相同的，這就造成了靜態不均壓問題，靜態伏安特性的分散性表明，不同裝置之間的電壓是不同的。

4 電子技術在電氣控制中的一些發展方向與研究

4.1 柔性直流輸電技術

柔性直流輸電技術是基于電子技術器件的特點和優勢而產生的新一代直流輸電技術。在電子技術器件IGBT、VSC等的發展進步下，應用于電氣控制輸電方面對比以前有了極大的提高，其不僅輸送電壓高、輸送電量大、能夠降低或消除輸電過程中存在的故障，還能夠在緊急情況下迅速恢復供電，同時使電壓更穩定，且雙極運輸無需接地。除此以外，柔性直流輸電技術還具有STATCOM的作用，其能使無功電流根據負荷中的電流迅速變化，從而有效地對電力網絡的無功功率實施動態無功的補償，與常規技術相比不需要使用無功補償設備來保持電壓的穩定。

4.2 電子技術在電氣控制中的新能源領域應用研究

伴隨著全球的高速發展，能源的消耗持續增加，能源問題已經日益明顯，如何節約能源與開發新型能源技術已經成為急需解決的問題。目前存在的新能源技術有太陽能光伏發電、風力發電、水力發電、核能發電、生物發電等，各種技術發電都需進行不同的能量轉換才能最終變成能夠直接使用的電能，而在這一過程中的能量轉換、并網控制、發電機的控制和電力儲備等都需要使用電子技術。電子技術的優點可使這些能量的轉換損耗大大降低，使轉換電流電壓更為穩定，同時減少故障的發生，增強智能化、信息化的控制，進而促使新能源發電輸電技術的改善與提高，優化電力能源的結構。

4.3 基于電子技術原理在新型電力系統中的電氣控制應用

新型電力系統是近年提出的以承載實現綠色發展的理念，形成以清潔低碳、安全可操控、靈活高效、智能友好、開放互動為特征的新型電力系統平臺。電子技術在構建新型電力系統平臺中起到了至關重要的作用，采用電力電子變壓器等電力電子技術裝備可提高電力系統的靈活性，新型電力系統中電力的產生、變換、輸送等控制過程將全面實現電力電子化，新型的電力電子變壓器具有基于模塊化拓撲結構的智能冗余技術，碳化硅器件的低損耗高功率，集群在線效率尋優技術和精準模塊化的人工智能技術等特點，可實現新型電力系統的各項技術要求。以可再生能源和電子技術設備為核心的新型電力系統運轉主要體現在四個方面：一是發電的主體逐漸轉為新能源，二是實現新能源與各類負荷實現良好的能量轉換，三是終端用能的電氣化，四是電力系統運行的改革。而這四個方面都離不開電子技術的作用，可見電子技術在新型電力系統中的電氣控制部分有著十分重要的地位。

5 結語

隨著社會的日益進步與發展，人們對電能供應的需求量也在日益增加，電力系統的負荷也在不斷地增加，而電子技術在電氣中的創新應用優化了電力系統的內部結構，減小了電力系統的損耗，提高了供電效率。同時，研究人員也在不斷地對電力電子設備進行升級改良。但面對未來未知因數的挑戰，我們仍不能放松懈怠，時代在進步，所有的東西都在與時俱進，電力作為時代發展的有力支撐，更有必要走在發展的前列。每一位科技工作人員和研究人員都應保持奮進向上、一絲不茍的工作態度，為人民、為社會、為國家貢獻出自己的一份力量！