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试论现代电力电子技术的发展趋势及应用
摘要现代电力电子技术是一种节能、智能化、自动化、机电一体化的基础,
并广泛应用于电机传动、电机工程、材料科学、微电子技术、航空航天等多种领
域,正向着产品性能绿色化、控制技术数字化,硬件结构模块化、应用技术高频
化方向发展,成为了一门独立的技术和科学领域。本文就现代电力电子技术论述
了它的发展及其应用,进一步促进电力电子技术的研究。
关键词电力电子;发展;应用
电子电力技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路3部分,是以电力为
处理对象并集电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的综合性学科。电力
技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术,电子技术是一门涉及
电子器件和由各种电子电路所组成的电子设备和系统的科学技术,控制技术是指
利用外加的设备或装置使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数按照预定
的规律运行。电力电子器件是电力电子技术的基础,电力电子器件对电能进行控
制和转换就是电子电力技术的利用。在21世纪已经成为一种高新技术,影响着
人们生活的各种领域,因此对对电子电力技术的研究具有时代意义。
1电力电子技术的发展
传统电力电子技术是以低频技术处理的,现代电力电子的发展向着高频技术
处理发展。其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,在不断的
发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。电力电子技术在1947年晶体管诞
生开始形成,接着1956的晶闸管的出现标志电力电子技术逐渐形成一门学科开
始发展,以功率MOS-FET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的
功率半导体复合器件的出现,表明已经进入现代电子电力技术发展时代。
1.1整流器时代
在60年代到70年代被称为电力电子技术的整流时代。该期间主要是大功率
硅整流管和晶闸管的开发与应用。1948年的晶体管的出现引发了电子工业革命,
半导体器件开始应用与通信领域,1957年,晶闸管的诞生扩展了半导体器件功
率控制范围,属于第一代电力电子器件。大功率硅整流器能够高效率地把工频交
流电转变为直流电,当地办硅整流器厂逐渐增多,大功率的工业用电由工频
(50Hz)交流发电机提供,其中电解、牵引、和直流传动是以直流形式消费。
1.2逆变器时代
20世纪70年到80年代期间成为逆变器时代,该期间的电力电子技术已经
能够实现逆变,但是仅局限在中低频范围内。当时变频调速装置因为能节能大量
普及,巨型功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)和大功率逆变用的
晶闸管成为当时电力电子器件的主流。它们属于第二代电力电子器件。
1.3变频器时代
进入80年代,功率MOSFET和绝缘栅极双极晶体管(IGBT)的问世,电
力电子技术开始向高频化发展,高压、高频和大电流的功率半导体复合器件为第
三代电器元件的大规模集成电路技术迅速发展,他们的性能更进一步得到了完
善,具有小、轻和高效节能的特点。
1.4现代电力时代
20世纪以来,电力电子作为自动化、节材、节能、机电一体化、智能化的
基础,正朝着应用技术高频化、产品性能绿色化、硬件结构模块化的现代化方向
发展。在1995年,功率MOSFET和GTR在功率半导体器件出现并广泛被人们
应用,功率器件和电源单元的模块化,使用方便,缩小整机体积,器件承受的电
应力降至最低,提高系统的可靠性。电子电力技术具有全控化、电路形式弱电化、
集成化、高频化和数字化的特点。更能带来节能、节省材料和减少污染的经济效
益和生态效益,能控制精度高、避免模拟信号的畸变失真,减小杂散信号的干扰,
改善了工作条件。
2电力电子技术的应用
2.1工业领域
在工业中,大部分都使用的是交直流电动机。例如数控机床的伺服电机、轧
钢机和矿山牵引、大型鼓风机等等都采用电子交直流技术。在大量的冶金工业中
的高频和中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源也大量的采用电力电子
技术。在水里电厂蓄能机组中,大型机组工作状态的调速好改变也采用现代电力
电子技术的变流装置,当负荷降低时,将下游的水抽到水库,储存能量,以调节
电力系统的供电量。
2.2交通运输
交通业的发展也离不开电子电力技术,电气机车中的交流机车和直流机车分
别采用变频装置和整流装置,车辆中的各种辅助电源都离不开电
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