电力电子技术在电气工程中的应用

安徽电气工程职业技术学院 王 芳

电力电子技术在电气工程中的应用

安徽电气工程职业技术学院 王 芳

随着社会经济体系完善，我国行业都取得了跨越式的发展，各工程项目已成为我国经济总收入的重要组成部分。在电气工程中，为适应社会发展需求，将电力电子技术科学、高效的应用在电气工程中，不仅可以提高运行效率，更能促进电气工程持续健康发展，对电气工程来说具有重要的作用。本文将围绕电力电子技术的内涵和发展现状，以及在电气工程中的具体应用展开分析，并提出电力电子技术在电气工程中应用的优化策略。

电子电力技术；电气工程；应用

近几年，随着科学技术水平的不断进步和发展，电力电子技术日趋成熟，应用范围愈加广泛，包括工业、农业、交通、国防等多个领域。电力电子技术就是利用电子设备及电子技术对电能进行转换和控制，实现了弱电子控制强电力的一种新兴技术。在电气工程中，电力电子技术已经成为必不可少的一部分，在电动机和发电机中的应用更加突显其优势，不仅提高了电能生产与利用、转换等方面的效率，起到节约能源的作用，更能增强电力系统运行的稳定性和安全性，对各领域的持续发展具有深远的意义。

1 电力电子技术的概述

电力电子技术是一种新兴的应用于电力领域的电子技术，主要是利用电力电子器件对电能进行转换和控制的技术[1]，其中电力电子器件包括闸管、GTO（高斯型轨道）、IGBT（大功率半导体开关器件）等。电力电子技术多转换的电能功率小到1W或是1W以下，达到兆瓦甚至是千兆瓦，与信息电子技术不同之处是电力电子技术主要是实现电力转换，而信息电子技术主要是处理相关信息数据。

电力电子技术根据实用功能可分为电力电子器件制造技术和变流技术两个部分[2]，变流技术的内容包括整流、逆变、斩波、变频等。目前，电力电子技术已经成为现代电气工程与自动化专业中主要的专业基础课，对培养专业技术人才起到关键性作用。

电力电子技术的涵盖范围比较广，包括电子学、电工原理以及自动控制三大学科，因其大功率的特点，通常服务于强电工业，也属于电工类学科。电力电子技术的主要内容包括电子器件、电力电子电路与电力电子装置以及对应系统。电力电子器件基于半导体材料，常用材料为单晶硅，所以说电力电子器件是以半导体物理学为理论基础，以半导体器件工艺为主要工艺技术。近几年，随着高端科技的发展，微电子学技术被广泛应用在电力电子器件中，因此，现如今的电力电子技术良好继承了电子学的理论基础，结合电力电子器件的特点以及电能转换的基本要求，成功的开发出多种电能转换电路[3]，例如控制、触发、显示、保护、信息处理等二次回路以及外围电路，再将这些电路应用于不同领域中，进而组成了多种用途的整机，也被叫做电力电子装置，然而将这些装置与负载、配套设施等构成了一个系统。电力电子技术的主要作用包括优化电能使用、改造传统产业与发展机电一体化等新兴产业、促进机电设备向高频化方向发展以及电子技术改革。

2 电力电子技术的发展进程

众所周知，晶体管的出现标志着固态电子时代的到来，可以说晶闸管的诞生意味着电子技术将奔向更高的发展轨道。近几年，随着各种高端技术不断涌现，电力电子技术得到了发展，应用范围越来越广泛。回顾电力电子技术的发展历程，可以总结出电力电子技术经历了晶闸管时代、逆变时代和变频时代三个阶段。

首先是晶闸管时代，晶闸管时代也叫作晶闸管整流时代，在上世纪六十年代和七十年代中取得了较为优异的成绩。在当时主要是用过50HZ的交流发电机为工业生产提供大功率服务，而直流供电仅占一小部分。当代，我国诸多电厂为满足工业生产供电需求，急需将交流电转换成直流电，因此，大功率的晶闸管和硅整流器顺势而生，可以从根本上解决直流电的供电需求，从此便进入了晶闸管整流时代[4]。

其次是逆变时代，在上世纪七十年代后，世界范围内出现了严重的能源危机，人们对节约能源越加关注，国家为缓解能源危机，制定了节能减排的发展战略，未响应国家号召，工业生产常使用交流电机。在此背景下，自关断器件得到开发和利用，随之进入电力电子技术的逆变时代。逆变就是将直流电转换成交流电，可以有效节约能源，提高工业生产效率，其中就包括GTO、GTR以及大功率逆变晶闸管。

最后是变频器时代，在逆变时代中，虽然有效的将直流电转换成交流电，实现了电流的逆变的整流，但相对来讲，逆变的工作效率较低，无法满足工业生产的供电需求，继而在上世纪八十年代后期，为提高电力供电效率，集成电路应运而生。集成电路可以将高压大电流技术和经济加工技术完美融合，从此进入电力电子变频器时代，电力电子技术得到进一步发展。在此时期，电力电子器件所处的环境越加复杂，各器件的结构也随之越来越紧密，功能越来越强大，这也标志着电力电子技术未来应朝着高频化的方向发展。

3 电力电子技术应用在电气工程中的重要意义

电力电子技术是在计算机技术和自动化控制技术的基础上实现电能间互相转换的这一功效，因此，电力电子技术不仅可以提高电气系统的工作效率以及强化电气系统的自控能力，更能提升电气系统的服务质量，以便更好的服务于强电工业，对电气工程具有重要意义，主要体现在以下几方面：第一，电力电子技术可以有效提高电气系统的自动智能化程度。电力电子器件的不断开发和应用为电力电子技术提供了更为广阔的发展空间，有效促进了电气系统向自动智能化方向发展，而模糊控制和智能化控制的飞速发展又为电力电子器件的发展奠定了坚实的基础。第二，电力电子技术可以增加经济效益和社会效益[5]。由于电力电子技术的大功率特点，可以有效提高电力电子器件和电气系统的工作效率以及电能转换效率，还可以节约资源和能源，更能为公众提供安全、可靠的电力资源，可以说对经济效益和社会效益两方面具有深远的意义。第三，电力电子技术的应用不仅可以在技术方面发挥优势，更能为企业发展提供完善的产业结构和管理模式。电力电子技术的进一步发展，刷新了企业管理者的发展观，不仅为企业发展提供先进的技术支持，更能重新审视企业运行的产业结构和管理模式，为顺应时代发展趋势，企业管理者不得不制定符合时代特征的管理模式，开发新型产业，从而为企业持续发展提供充足保障。

4 电力电子技术在电气工程中的具体应用

晶闸管是电力电力器件发展的基础，对我国电气工程发展具有至关重要的作用。随着电力技术的飞速发展和不断完善，交流变频技术逐渐被推广应用，而作为第一代电力电子器件，半控型晶闸管已经无法跟上现代化电气系统发展的脚步，自此，第二代全控型电力电子开关得到开发和应用，主要包括CTR、GTO、P-MOSEFT（电压驱动器件）等，主要是为了使各种器件能够更好适应各个电流、电压额等电气系统。第二代全控型电力电子开关在实际应用中较大的控制电流予以支撑，这也为电流的控制增加了不小的难度。其中MOSEFT作为一种电压驱动器件，不仅对驱动电力没有太大的要求，更能提高器件的开关速度，使器件在安全工作区可以稳定、顺畅运行。然而，MOSEFT的同台电压额会随着额定电压的增高而加倍增高，限制了P-MOSEFT的发展。因此，为适应各种器件的运行需求，新一代复合型电力电子器件IGBT和MGT顺势而生，其中IGBT具有高输入阻抗、高速运转的的特性，与MOSEFT不尽相同，另一方面，还具有与GTR相同的大电流面密度特性，是一种混合型器件[6]。相比第一代和第二代电力电子器件来讲，新一代复合型电力电子器件IGBT和MGT以其高效的开关速度、较低的通态电压和宽且稳的运行效率以及驱动电路简单等优势特点，在电气系统中被广泛应用，更加符合现代化电气工程对电力器件的根本需求。新一代复合型电力电子器件，在机械复合化技术的支持下，无论是生产规模还是推广力度都在不断扩大和加强，在电力电子器件复合化发展的同时，深入推进电力电子器件向模块化方向发展对其未来更为关口的发展空间提供更多可能。

随着电力电子器件的不断完善和进步，为更好适应电力电子器件的需求，由电力电子器件构成的变换器电路也随着不断更新和完善，原有的变频器电力基本上无法满足新一代电力电子器件的需求[7]。而谐夺式直流环逆变器可以从根本上满足新一代电力电子器件的需求，不仅能够降低开关运行的电能损耗，提高开关效率，而且将年便器放在高频振荡过零的谐振电路上，还能够使电子器件在零电压或零电流的情况下进行自由转换。因此，加强变频器电流从低频向高频方向发展，对电气工程具有至关重要的作用，不仅可以节约能源，降低企业成本，还能促进电力系统走向集成化发展的道路上，发展前景关阔。

近几年，随着电气系统的不断发展，人们对交流雕塑控制理论的研究越加深入，研究的目的是为了将复杂的适量变化和电动数学模型的处理简单化。研究的主要内容针对交流调速控制理论的独特性和创造性，以及控制结构简单、手法直接等方面，明确了信号处物理的概念，具有转矩响应迅速、提高调速效率等作用，成功打破了传统交流调速方式，符合现代化电气自动化技术发展的要求[8]。

在变频技术日趋成熟的基础上，高静态性能矢量控制性开始被公众认可，并开始大量投入生产和实际应用中。高静态性能矢量控制性主要是利用全数字控制和相关软件对电气系统实施自动化设定和智能化操作，以便提高变频器的变频结构控制盒的自适应控制能力[9]。在社会飞速发展的今天，各种先进的技术手段不断涌现，与人们生活、工作之间的联系越加紧密。在电气工程中，基于单片机自动控制技术，变频器运行的高效性、可控性、可维修性等一系列功能得到充分挖掘，并且不断提高，对电力电子技术的发展起到至关重要的作用。

结束语

综上，电力电子技术的一系列研究对于电气工程的发展具有深远的意义。通过分析电力电子技术在电气工程中的应用，我们可以总结出，这项技术能否更稳更快的发展对于电气工程起到决定性的作用。相关技术人员应充分掌握该项技术的技术要点、操作技巧和涵义，才能在实际应用中充分发挥电力电子技术的优势，更好的服务于强电工业，不断探索更加符合社会发展需求的技术方法，为电气工程持续健康发展提供可靠的技术保障。

[1]辛自愿．电力电子技术在电气工程中的应用[J]．建筑工程技术与设计,2016(27)．

[2]李敏．电力电子技术在电气工程中的应用[J]．通讯世界,2015(23)．

[3]刘飘羽．关于电力电子技术在电气工程中的应用[J]．科学与财富,2016(7)．

[4]许志伟,黄雪原．电力电子技术在电气工程中的应用[J]．大科技,2016(6)．

[5]郁瑾．电力电子技术在电气工程中的应用[J]．城市建设理论研究(电子版),2015(30)．

[6]王晓明．电力电子技术在电气工程中的应用[J]．装饰装修天地,2016(13)．

[7]胡欣然,张海涛,刘洋等．电力电子技术在电气工程中的应用[J]．山东工业技术,2016(13)．

[8]胡润华．电力电子技术在电气工程中的应用[J]．建筑工程技术与设计,2015(12)．

[9]邸景立．电力电子技术在电气工程中的应用浅谈[J]．建筑工程技术与设计,2015(13)．

王芳（1971—），女，大学本科，现供职于安徽电气工程职业技术学院，主要从事电气自动化教学研究。