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2024年10月6日

電力電子技術應用、是培養電力電子專業人才

電力電子技術應用、是培養電力電子專業人才

創新與發展是當今時代的主題，電力電子技術正隨著創新發展的潮流，在促進我國經濟體向綠色華、數字化轉變及改善人民生活質量方面發揮著獨特而重要的作用。本文按時間順序對電力電子技術的發展和應用做了淺析，并對電力電子技術的發展方向做了展望。正確認識當前我國電力電子技術的發展和應用現狀，對電力電子技術的發展具有重要意義。
電力電子技術；發展；應用；電力電子器件
電力電子技術是結合電子技術、電力技術和控制技術而衍生出來的。主要功能是利用電力電子器件完成電能變換和控制的技術，電力電子技術的實用性非常強，都可以完成小到1W以下，大到GW以上的電力轉換。現在我們生活各個地方幾乎都有電力電子技術的身影，我國目前電能總量的30%是利用電力電子技術進行控制和轉換的。
1.電子電力技術的發展
20世紀50年代末，硅整流器的誕生催發了電力電子技術的出現，電力電子技術從發展過程上看，由開始的整流器時代，過渡到逆變器時代，一直到如今的變頻器時代已經是電力電子技術經歷的第三次變革。電力電子技術的發展趨勢也是逐步向高頻率、高電壓、大電流、高集成度發向發展。當今的電力電子技術已經全面進入到現代電力電子時代，可以說電力電子技術的發展是我國科技發展的一個縮影。
1.1整流器時代。1957年，電力電子技術伴隨著第一個工業用晶閘管的誕生，正式從技術層面被人類發現。電子電力技術發展的初期，工業用電大多數是由發電廠50HZ的交流電提供的，但是其中的20%是以直流電形式消費出去的，主要用于化學電解、動力牽引等。在當時，大功率硅整流管是實現這一切的基石。因為大功率硅整流管可以以很高的效率把50HZ的交流電轉化為直流電，這個用途使中國的大功率硅晶體管和晶閘管快速發展。
1.2逆變器時代。整流器在把交流電轉換成直流電方面做的很好，但是如果希望把直流電逆變成交流電，整流器就無能為力了。20世紀70年代的能源危機，加速了大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管、門極關斷晶閘管這三種電子電力器件的誕生。它們可以將直流電逆變為低頻的交流電（0～100HZ）。這時電子電力技術已經可以很輕松的進行整流和逆變了，但是也只限于頻率較低的交流電。
1.3變頻器時代在變頻器時代中首先出現的便是功率MOSFET了，它的出現成功地解決了中小功率電源向高頻方向的發展問題。接著出現的是絕緣柵雙晶體管（IGBT)，IGBT的出現讓大中功率電源有了向高頻方向發展的空間。功率MOSFET和IGBT的問世標志人類正式進入現代電子電力。
2.電子電力技術的應用
電力電子技術因其在技術方面的獨特優勢，在電源、智能電網、新能源發電等方面都有顯著應用。
2.1在一般電源方面：不間斷電源做為一種高可靠性、高性能電源，現在已經是是計算機、通訊系統以及要求提供不能中斷場合所必需配備的電源，有的已經被寫入到標準中強制執行。現代不間斷電源因為采用了脈寬調制技術和現代電力電子器件（功率MOSFET、IGBT等），電池的噪音得到較大幅度的降低，而在效率和可靠性方面又有提升。
2.2在專用電源方面的應用主要有兩種：高頻逆變式整流焊接機電源及大功率開關型高壓直流電源。
2.2.1逆變焊接機電源大都采用交流—直流—交流—直流變換的方法。但焊接機電源工作在頻繁短路、燃弧、開路交替變化之中，工作環境惡劣，所以電源的可靠性不好控制。如果可以預知系統的工作狀態，提前對相關硬件及電路做調整和處理，可以大大提高大功率IGBT的可靠性。而采用微處理器作為脈沖寬度調制的控制器就可實現上訴效果。
2.2.2大功率開關型高壓直流電源一般在大型設備中應用較廣，如醫用X光機、CT機、水質改良機、靜電除塵設備等。
2.3智能電網正在成為我國電網的發展方向，大容量電力電子技術是智能電網的核心技術之一。在變換器設計和分析中采用大功率全控型電力電子器件為核心的技術及相關組合式電力電子技術都成為當今前沿技術。
2.4在新能源發電中采用電子電力技術的應用特點為：由于風能、太陽能都隨天氣情況有很大變化，在實地應用時一次能源供給隨機性較大；這就要求電網側輸出電能質量高，同時具有低電壓穿越和孤島保護功能。并網發電要求高，電網側要求電能波動小，諧波小等技術指標給電力電子技術也提出了更高的控制要求。
2.5電力電子技術在電力牽引中主要應用是基于大容量電力電子變換及其控制技術，目前在電力牽引中的電力電子變換器我國目前也正在逐步以國產代替進口，電力牽引在去進口化方面一直走在前沿。電子電力技術在電力牽引中，主要發展方向有：對設備實施精準控制、發展集成技術和冷卻技術、提高電子電力轉換器的效率和功率密度、保證設備的可靠運行。
2.6智能開關技術主要是閉合或切斷指定位置的電流電壓，在智能電網中的應用就是有效的保護過流、預防漏電問題，保證電力系統運行安全穩定。智能開關技術還可以讓電氣設備等儀器不受嚴重損耗，保護電器設備。
3.我國電力電子技術存在的不足
3.1我國電力電子產品目前主要以中低端產品為主，缺乏自主研發生產的高端產品。高端產品許多都關系到國民經濟命脈和國家安全，正是在這些關鍵領域，國外均是對我國在技術和軟硬件控制方面實行技術封鎖。這也大大限制了我國高端電力電子產品的發展。
3.2我國電力電子產業鏈有待發展和完善，我國的一些電力企業雖然在一些發面取得了一些技術上的突破，但是因為整個產業鏈發展不夠完善，單一方面的技術突破無法凝聚成合力，也不能有效的把先進技術轉變成行業競爭力。
3.3我國目前大功率變流器制造水平較低、缺乏重大工程經驗的相關積累，目前幾乎全部高性能大功率變流裝置都要依靠進口，我國的制造水平在一定程度上制約了電力電子技術在大功率方向的發展。
3.4電力電子應用基礎研究方面做的還不夠，我國的許多原本做基礎研究的機構由于經費、轉制等方面的原因，把大部分的研究力量轉向為產品試制和開發。在這個方面應加大投入力度，轉變觀念。
4.電力電子技術的發展方向
4.1模塊化。電力電子技術的模塊化包括功率器件的模塊化和電源單元的模塊化。
4.2高頻化。由電力電子技術的發展歷程中的逆變器時代和變頻器時代就可以看出電子電力技術在向著高頻化的方向發展。逆變器時代只可以將直流電轉化為0～100HZ的交流電，變頻器時代就已經向更高的頻率方向發展了。
4.3綠色化。綠色化也是全球經濟發展的主題，而電力電子技術的綠色化主要包括：顯著節電即發電容量的節約同時電力電子產品不能對電網產生污染。
4.4數字化。變流電路控制技術的發展方向是數字化，用數字控制代替傳統的模擬控制已經成為必然的發展趨勢。結束語電力電子技術對我國的經濟的發展和科技的進步做出了獨特而重要的貢獻，我國電力電子技術雖然在一定層面還是處在落后階段，但發展的趨勢和潛力都十分巨大。隨著科學的發展和進步，電力電子技術會有更高更好的發展，更好地為我國現代化建設服務。
電力電子的發展
電力電子在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
電源技術的發展
在應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機（微處理器）技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。對于大型電解電鍍電源，傳統的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源（逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等）的核心技術。
當前，電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來，電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用，實現高效率和高品質用電相結合。
現代電力電子技術是電源技術發展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現，現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下，由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態，從而可大大的提高工作頻率，提高開關電源工作效率，設計出性能優良的開關電源。
總而言之，電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展，新技術的出現又會使許多應用產品更新換代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現，將標志著這些技術的成熟，實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通信行業的發展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，僅國內有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動，并將很快發展起來。還有其它許多以電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。