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現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢探析

2019-09-10 01:13:28何杉張晶劉偉
關(guān)鍵詞:電力電子技術(shù)發(fā)展趨勢應(yīng)用

何杉 張晶 劉偉

【摘?要】隨著科技水平提升,電力電子技術(shù)快速發(fā)展,為我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供了重要基礎(chǔ)。文章將詳細(xì)分析電力電子技術(shù)定義及其作用,并分析其應(yīng)用趨勢以及應(yīng)用,旨在促進(jìn)我國電力電子技術(shù)持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】發(fā)展趨勢;電力電子技術(shù);應(yīng)用

電力電子技術(shù)是前沿科技技術(shù),對我國工業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。我國電力電子技術(shù)發(fā)展經(jīng)過數(shù)個時期,應(yīng)用范圍廣泛、作用巨大。由此可見,探析現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢是十分必要的。

一、電力電子技術(shù)概述

(一)定義

電力電子技術(shù)屬于創(chuàng)新科學(xué)技術(shù),也被稱為功率電子技術(shù),電子電力器件是其主要研究對象。電力電子技與控制技術(shù)、電路裝置等部位可以構(gòu)成完備的控制系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對電路電能的自由轉(zhuǎn)化。電力電子技術(shù)屬于電子領(lǐng)域、電工學(xué)、大電流、電工領(lǐng)域等分支,融合多個領(lǐng)域,為強(qiáng)弱電研究發(fā)展的新學(xué)科。

(二)作用

電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用對象為電力電力器件,能夠優(yōu)化使用電能,確保電能應(yīng)用的合理性、高效性,節(jié)約電能應(yīng)用量。我國傳統(tǒng)高耗電能行業(yè)應(yīng)用電力電子技術(shù)可以有效節(jié)約電力能源,例如:工業(yè)窯爐、電力牽引等。此外,電力電子技術(shù)對于機(jī)電一體化發(fā)展具有重大推動作用,借助電力電子技術(shù)高頻技術(shù)、變頻技術(shù)讓機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng),促進(jìn)其高頻發(fā)展。電力電子技術(shù)本身也在持續(xù)發(fā)展,智能化發(fā)展特征是其發(fā)展新趨勢,能夠優(yōu)化信息處理,提電力電子作業(yè)功率,促進(jìn)電子技術(shù)改革與發(fā)展。

二、電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢

低頻技術(shù)轉(zhuǎn)向高頻技術(shù)以及傳統(tǒng)電力電子學(xué)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代電力電子學(xué)是電力電子技術(shù)發(fā)展主要方向。電子技術(shù)發(fā)展始于20世紀(jì)50~60年代,硅整流器件是其發(fā)展標(biāo)志,并在多個領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用發(fā)展;20世紀(jì)80~90年代,電子技術(shù)快速發(fā)展,并以高壓、高頻、大電流為主要特征,MOSFET、IGBT均是其典型代表,這也標(biāo)志著電子電力電子技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展時代。

(一)整流器發(fā)展時期。

工業(yè)用電功率較大,主要由交流發(fā)電機(jī)(50Hz工頻)所提供,其中約有五分之一的電能通過直流形式進(jìn)行體現(xiàn),其應(yīng)用主要體現(xiàn)在電解、牽引以及直流傳動三個方面。電解方面主要體現(xiàn)為:(1)直流電解化工原料;(2)直流電解有色金屬。牽引方面主要體現(xiàn)為:(1)地鐵機(jī)車牽引;(2)城市無軌電車牽引;(3)內(nèi)燃機(jī)車牽引;(4)電氣機(jī)車牽引。直流傳動方面體現(xiàn)為:(1)軋鋼傳動;(2)造紙傳動。在整流器發(fā)展時期,大功率硅整流器能夠?qū)⒐ゎl交流電高效轉(zhuǎn)化為直流電,晶閘管、硅整流管(大功率)開發(fā)與應(yīng)用迎來發(fā)展熱潮,同時期國內(nèi)興辦了大量的工廠,用以滿足晶閘管、硅整流管生產(chǎn)需求,如硅整流器半導(dǎo)體廠家就是其中作為典型的代表。

(二)逆變器發(fā)展時期

20世紀(jì)70年代世界出現(xiàn)了能源危機(jī),波及范圍較廣,許多國家受此影響,并形成能源危機(jī)意識,節(jié)能成為了能源應(yīng)用共識。交流電機(jī)變頻惆速節(jié)能效果顯著,在20世紀(jì)70年代得到快速發(fā)展。20世紀(jì)70~80年代,變頻調(diào)速技術(shù)得到極大發(fā)展,相關(guān)裝置設(shè)備已經(jīng)得到快速普及,變頻電力電子器件被廣泛應(yīng)用,例如巨型功率晶體管、晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管都成為了這個時期的主要電子元件。逆變器發(fā)展時期電子電力技術(shù)基本上都實(shí)現(xiàn)了逆變、整流,但技術(shù)水平有限,主要集中在中、低頻率范圍之內(nèi)。

(三)變頻器發(fā)展時期

20世紀(jì)80年代,集成電路技術(shù)得到快速發(fā)展,發(fā)展規(guī)模不斷變大,主要表現(xiàn)為大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著集成電路技術(shù)水平提升,高壓大電流技術(shù)與精細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合,生產(chǎn)出全新功率器件(全控型),如MOSFET、IGBT等。MOSFET標(biāo)志著中小型功率電源開始走向高頻化發(fā)展趨勢,IGBT的出現(xiàn)則標(biāo)志著中大型功率電源開始走向高頻化發(fā)展趨勢。根據(jù)相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的可靠數(shù)據(jù)顯示,20實(shí)際90年代MOSFET功率器件、GTR功率器件生產(chǎn)數(shù)量上基本持平,隨著技術(shù)水平提升GTR功率器件逐漸被IGBT功率器件所代替,為電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展提供了較高頻率,并完善了電機(jī)的相關(guān)性能。現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展主要朝向高頻化、節(jié)能化發(fā)展,器件設(shè)備在體積上也愈加輕量化,并為機(jī)電智能化、一體化提供了可行性基礎(chǔ)。

三、現(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用分析

(一)工業(yè)應(yīng)用

工業(yè)發(fā)展中應(yīng)用的設(shè)備主要為直流電動機(jī)。直流電動機(jī)具有調(diào)速性能佳、可控性強(qiáng)的特征,能夠?qū)崿F(xiàn)直流斬波電源、整流電源調(diào)控。目前,電子電頻技術(shù)快速發(fā)展,交流電機(jī)調(diào)速性能與一般直流電性能上不相上下,被廣泛的應(yīng)用于行業(yè)當(dāng)中。如軋鋼機(jī)、伺服電機(jī)等?,F(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛,甚至部分領(lǐng)域在鼓風(fēng)機(jī)(大型)上安裝了變頻裝置,以此實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。工業(yè)應(yīng)用中部分電機(jī)并不具備調(diào)速功能,但安裝了軟啟動裝置,同樣能夠起到緩沖電流沖擊的作用。

(二)交通運(yùn)輸

軌道運(yùn)輸業(yè)電氣化發(fā)展中廣泛應(yīng)用電力電子技術(shù),如交流機(jī)車中安裝了變頻裝置,直流機(jī)車中就配置了整流裝置,以此滿足不同的使用需求。磁懸浮列車技術(shù)是未來軌道運(yùn)輸業(yè)發(fā)展新方向,其技術(shù)發(fā)展必然要依賴于電力電子技術(shù),如電機(jī)牽引傳動、輔助電源等。汽車運(yùn)輸中,電機(jī)作業(yè)則依靠電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動以及變化。尤其是電動汽車蓄電池部分,更是離不開電力電子技術(shù)。由于電力電子技術(shù)在電源應(yīng)用上作用廣泛,如船舶、飛機(jī)等都需要運(yùn)用到此技術(shù)。

(三)電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)是應(yīng)用電力電子技術(shù)的主要對象。根據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示,發(fā)達(dá)國家用電戶所使用的電能中約有60%經(jīng)過電流裝置處理。電力系統(tǒng)發(fā)展過程中,電力電子技術(shù)功不可沒,也是其中的關(guān)鍵技術(shù)。在電力系統(tǒng)中需要長距離輸送電能,就可以借助電力電子技術(shù)長距離輸送直流電,減少能源耗損,提升輸送效率。電力系統(tǒng)中近年來最新應(yīng)用的柔性交流輸電、晶閘管投切電容器都需要電力電子技術(shù)作為支撐。在配電系統(tǒng)構(gòu)建過程中,安裝電力電子設(shè)備,可以預(yù)防閃變、瞬時停電、電壓跌落對于電網(wǎng)的損壞。

(四)設(shè)備電源

電子裝置電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具體載體,電子裝置運(yùn)行過程中需要使用不同等級電壓直流電。通信中程控交換機(jī)在以往通過晶閘管進(jìn)行供電,但隨著電力電子技術(shù)發(fā)展已經(jīng)更換為全控型高頻開展電管設(shè)備??萍及l(fā)展中所使用的大型計(jì)算機(jī)也是使用此類電源。

(五)家用電器

家用電器中電力電子技術(shù)應(yīng)用效果較為明顯,如節(jié)能燈使用電能較少,并且具有發(fā)光率高的特征,相比于傳統(tǒng)的日光燈更具有優(yōu)勢。此外,生活中的電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)中都應(yīng)用了電力電子技術(shù)。

結(jié)語

電力電子技術(shù)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國民生活水平提升提供了重要技術(shù)支持。文章詳細(xì)分析了電力電子技術(shù)在不同時期發(fā)展?fàn)顩r,論述了其巨大的應(yīng)用作用??梢灶A(yù)見,在未來發(fā)展中電力電子技術(shù)必將持續(xù)發(fā)展,發(fā)揮出巨大應(yīng)用作用,推動我國工業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

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(作者單位:西安電力電子技術(shù)研究所)

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