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2024年10月6日

電力電子技術(shù)應(yīng)用、是培養(yǎng)電力電子專(zhuān)業(yè)人才

電力電子技術(shù)應(yīng)用、是培養(yǎng)電力電子專(zhuān)業(yè)人才

創(chuàng)新與發(fā)展是當(dāng)今時(shí)代的主題，電力電子技術(shù)正隨著創(chuàng)新發(fā)展的潮流，在促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)體向綠色華、數(shù)字化轉(zhuǎn)變及改善人民生活質(zhì)量方面發(fā)揮著獨(dú)特而重要的作用。本文按時(shí)間順序?qū)﹄娏﹄娮蛹夹g(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做了淺析，并對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展方向做了展望。正確認(rèn)識(shí)當(dāng)前我國(guó)電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
電力電子技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用；電力電子器件
電力電子技術(shù)是結(jié)合電子技術(shù)、電力技術(shù)和控制技術(shù)而衍生出來(lái)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(shù)，電力電子技術(shù)的實(shí)用性非常強(qiáng)，都可以完成小到1W以下，大到GW以上的電力轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在我們生活各個(gè)地方幾乎都有電力電子技術(shù)的身影，我國(guó)目前電能總量的30%是利用電力電子技術(shù)進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的。
1.電子電力技術(shù)的發(fā)展
20世紀(jì)50年代末，硅整流器的誕生催發(fā)了電力電子技術(shù)的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)從發(fā)展過(guò)程上看，由開(kāi)始的整流器時(shí)代，過(guò)渡到逆變器時(shí)代，一直到如今的變頻器時(shí)代已經(jīng)是電力電子技術(shù)經(jīng)歷的第三次變革。電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也是逐步向高頻率、高電壓、大電流、高集成度發(fā)向發(fā)展。當(dāng)今的電力電子技術(shù)已經(jīng)全面進(jìn)入到現(xiàn)代電力電子時(shí)代，可以說(shuō)電力電子技術(shù)的發(fā)展是我國(guó)科技發(fā)展的一個(gè)縮影。
1.1整流器時(shí)代。1957年，電力電子技術(shù)伴隨著第一個(gè)工業(yè)用晶閘管的誕生，正式從技術(shù)層面被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)。電子電力技術(shù)發(fā)展的初期，工業(yè)用電大多數(shù)是由發(fā)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(fèi)出去的，主要用于化學(xué)電解、動(dòng)力牽引等。在當(dāng)時(shí)，大功率硅整流管是實(shí)現(xiàn)這一切的基石。因?yàn)榇蠊β使枵鞴芸梢砸院芨叩男拾?0HZ的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，這個(gè)用途使中國(guó)的大功率硅晶體管和晶閘管快速發(fā)展。
1.2逆變器時(shí)代。整流器在把交流電轉(zhuǎn)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(wú)能為力了。20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)，加速了大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管、門(mén)極關(guān)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?yōu)榈皖l的交流電（0～100HZ）。這時(shí)電子電力技術(shù)已經(jīng)可以很輕松的進(jìn)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(shí)代在變頻器時(shí)代中首先出現(xiàn)的便是功率MOSFET了，它的出現(xiàn)成功地解決了中小功率電源向高頻方向的發(fā)展問(wèn)題。接著出現(xiàn)的是絕緣柵雙晶體管（IGBT)，IGBT的出現(xiàn)讓大中功率電源有了向高頻方向發(fā)展的空間。功率MOSFET和IGBT的問(wèn)世標(biāo)志人類(lèi)正式進(jìn)入現(xiàn)代電子電力。
2.電子電力技術(shù)的應(yīng)用
電力電子技術(shù)因其在技術(shù)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在電源、智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電等方面都有顯著應(yīng)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(xiàn)在已經(jīng)是是計(jì)算機(jī)、通訊系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必需配備的電源，有的已經(jīng)被寫(xiě)入到標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制執(zhí)行。現(xiàn)代不間斷電源因?yàn)椴捎昧嗣}寬調(diào)制技術(shù)和現(xiàn)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(zhuān)用電源方面的應(yīng)用主要有兩種：高頻逆變式整流焊接機(jī)電源及大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源。
2.2.1逆變焊接機(jī)電源大都采用交流—直流—交流—直流變換的方法。但焊接機(jī)電源工作在頻繁短路、燃弧、開(kāi)路交替變化之中，工作環(huán)境惡劣，所以電源的可靠性不好控制。如果可以預(yù)知系統(tǒng)的工作狀態(tài)，提前對(duì)相關(guān)硬件及電路做調(diào)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(diào)制的控制器就可實(shí)現(xiàn)上訴效果。
2.2.2大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源一般在大型設(shè)備中應(yīng)用較廣，如醫(yī)用X光機(jī)、CT機(jī)、水質(zhì)改良機(jī)、靜電除塵設(shè)備等。
2.3智能電網(wǎng)正在成為我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展方向，大容量電力電子技術(shù)是智能電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。在變換器設(shè)計(jì)和分析中采用大功率全控型電力電子器件為核心的技術(shù)及相關(guān)組合式電力電子技術(shù)都成為當(dāng)今前沿技術(shù)。
2.4在新能源發(fā)電中采用電子電力技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)為：由于風(fēng)能、太陽(yáng)能都隨天氣情況有很大變化，在實(shí)地應(yīng)用時(shí)一次能源供給隨機(jī)性較大；這就要求電網(wǎng)側(cè)輸出電能質(zhì)量高，同時(shí)具有低電壓穿越和孤島保護(hù)功能。并網(wǎng)發(fā)電要求高，電網(wǎng)側(cè)要求電能波動(dòng)小，諧波小等技術(shù)指標(biāo)給電力電子技術(shù)也提出了更高的控制要求。
2.5電力電子技術(shù)在電力牽引中主要應(yīng)用是基于大容量電力電子變換及其控制技術(shù)，目前在電力牽引中的電力電子變換器我國(guó)目前也正在逐步以國(guó)產(chǎn)代替進(jìn)口，電力牽引在去進(jìn)口化方面一直走在前沿。電子電力技術(shù)在電力牽引中，主要發(fā)展方向有：對(duì)設(shè)備實(shí)施精準(zhǔn)控制、發(fā)展集成技術(shù)和冷卻技術(shù)、提高電子電力轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度、保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。
2.6智能開(kāi)關(guān)技術(shù)主要是閉合或切斷指定位置的電流電壓，在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用就是有效的保護(hù)過(guò)流、預(yù)防漏電問(wèn)題，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定。智能開(kāi)關(guān)技術(shù)還可以讓電氣設(shè)備等儀器不受?chē)?yán)重?fù)p耗，保護(hù)電器設(shè)備。
3.我國(guó)電力電子技術(shù)存在的不足
3.1我國(guó)電力電子產(chǎn)品目前主要以中低端產(chǎn)品為主，缺乏自主研發(fā)生產(chǎn)的高端產(chǎn)品。高端產(chǎn)品許多都關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全，正是在這些關(guān)鍵領(lǐng)域，國(guó)外均是對(duì)我國(guó)在技術(shù)和軟硬件控制方面實(shí)行技術(shù)封鎖。這也大大限制了我國(guó)高端電力電子產(chǎn)品的發(fā)展。
3.2我國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)鏈有待發(fā)展和完善，我國(guó)的一些電力企業(yè)雖然在一些發(fā)面取得了一些技術(shù)上的突破，但是因?yàn)檎麄€(gè)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不夠完善，單一方面的技術(shù)突破無(wú)法凝聚成合力，也不能有效的把先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)變成行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
3.3我國(guó)目前大功率變流器制造水平較低、缺乏重大工程經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)積累，目前幾乎全部高性能大功率變流裝置都要依靠進(jìn)口，我國(guó)的制造水平在一定程度上制約了電力電子技術(shù)在大功率方向的發(fā)展。
3.4電力電子應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面做的還不夠，我國(guó)的許多原本做基礎(chǔ)研究的機(jī)構(gòu)由于經(jīng)費(fèi)、轉(zhuǎn)制等方面的原因，把大部分的研究力量轉(zhuǎn)向?yàn)楫a(chǎn)品試制和開(kāi)發(fā)。在這個(gè)方面應(yīng)加大投入力度，轉(zhuǎn)變觀念。
4.電力電子技術(shù)的發(fā)展方向
4.1模塊化。電力電子技術(shù)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(shù)的發(fā)展歷程中的逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代就可以看出電子電力技術(shù)在向著高頻化的方向發(fā)展。逆變器時(shí)代只可以將直流電轉(zhuǎn)化為0～100HZ的交流電，變頻器時(shí)代就已經(jīng)向更高的頻率方向發(fā)展了。
4.3綠色化。綠色化也是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主題，而電力電子技術(shù)的綠色化主要包括：顯著節(jié)電即發(fā)電容量的節(jié)約同時(shí)電力電子產(chǎn)品不能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。
4.4數(shù)字化。變流電路控制技術(shù)的發(fā)展方向是數(shù)字化，用數(shù)字控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)束語(yǔ)電力電子技術(shù)對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步做出了獨(dú)特而重要的貢獻(xiàn)，我國(guó)電力電子技術(shù)雖然在一定層面還是處在落后階段，但發(fā)展的趨勢(shì)和潛力都十分巨大。隨著科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，電力電子技術(shù)會(huì)有更高更好的發(fā)展，更好地為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。
電力電子的發(fā)展
電力電子在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)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(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。
電源技術(shù)的發(fā)展
在應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件，綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)（微處理器）技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交又技術(shù)。對(duì)于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會(huì)大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車(chē)和變頻傳動(dòng)中，更是離不開(kāi)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源改變用電頻率，從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，更是各種大功率開(kāi)關(guān)電源（逆變焊機(jī)、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(shù)。
當(dāng)前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
現(xiàn)代電力電子技術(shù)是電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開(kāi)關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn)，現(xiàn)代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下，由于功率器件性能的限制而使開(kāi)關(guān)電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對(duì)開(kāi)關(guān)電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓?fù)浜托滦偷目刂萍夹g(shù)，可使功率開(kāi)關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高工作頻率，提高開(kāi)關(guān)電源工作效率，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源。
總而言之，電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會(huì)開(kāi)拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn)，將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟，實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開(kāi)關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開(kāi)關(guān)電源，僅國(guó)內(nèi)有20多億人民幣的市場(chǎng)需求，吸引了國(guó)內(nèi)外一大批科技人員對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。開(kāi)關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢(shì)所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在啟動(dòng)，并將很快發(fā)展起來(lái)。還有其它許多以電源技術(shù)為核心的專(zhuān)用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)。