什么是电力电子技术?

[拼音]：dianli dianzi jishu

[外文]：power electronic technology

利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术。有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。

电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。

1902年出现了第一个玻璃的汞弧整流器。1910年出现了铁壳汞弧整流器。用汞弧整流器代替机械式开关和换流器，这是电力电子技术的发端。1920年试制出氧化铜整流器，1923年出现了硒整流器。30年代，这些整流器开始大量用于电力整流装置中。20世纪40年代末出现了晶体管。20世纪50年代初，晶体管向大功率化发展，同时用半导体单晶材料制成的大功率二极管也得到发展。1954年，瑞典通用电机公司(ASEA公司)首先将汞弧管用于高压整流和逆变，并在±100千伏直流输电线路上应用，传输20兆瓦的电力。1956年，美国人J.莫尔制成晶闸管雏型。1957年，美国人R.A.约克制成实用的晶闸管。50年代末晶闸管被用于电力电子装置，60年代以来得到迅速推广，并开发出一系列派生器件，拓展了电力电子技术的应用领域。

随着晶闸管应用的推广，开发出许多电力电子电路，按其功能可分为：

（1）将交流电能转换成直流电能的整流电路；

（2）将直流电能转换成交流电能的逆变电路；

（3）将一种形式的交流电能转换成另一种形式的交流电能的交流变换电路；

（4）将一种形式的直流电能转换成另一种形式的直流电能的直流变换电路。这些电路都包含晶闸管，而每个晶闸管都需要相应的触发器。于是配合这些电力电子电路出现了许多的触发控制电路。根据所用的器件，这些控制电路大体上可以分为3代。第一代的控制电路主要由分立的电子元件（如晶体管、二极管）组成。直到80年代后期，还用得不少。第二代由集成电路组成。自从1958年美国出现了世界上第一个集成电路以来，发展异常迅速。它应用到电力电子装置的控制电路中，使其结构紧凑，功能和可靠性得到提高。第三代由微机进行控制。70年代以来，由于微机的发展使电力电子装置进一步朝实现智能化的方向进步。

随着电力电子电路的发展和完善，由晶闸管组成的许多类型的电力电子装置不断出现。如大功率的电解电源、焊接电源、电镀用的直流电源；直流和交流牵引、直流传动、交流串级调速、变频调速等传动用电源；励磁、无功静止补偿、谐波补偿等电力系统用的电力电子装置；低频、中频、高频电源等各种非工频电源，尤其是感应加热的中高频电源；不停电电源、交流稳压电源等各种工业用电力电子电源；各种调压器等等。这些电力电子装置，与传统的电动机-发电机组比，有较高的电效率(以容量10千瓦至数百千瓦、频率为1000赫的电动机-发电机组为例，在额定负载下，效率η＝80％，并随负载减小而显著降低，若用晶闸管电源，η≥92％，且随负载变化不大），因此，有明显的节能效果。电力电子装置是静止式装置，占地面积小，重量轻，安装方便（以焊接电源为例，与旋转焊机相比，重量减轻80％，节能15％）。同时，电力电子装置往往对频率、电压等的调节比较容易，响应快，功能多，自动化程度高，因此用于工业上不但明显节能，还往往能提高生产率和产品质量，节省原材料，并常能改善工作环境。但电力电子装置大多为电子开关式装置，它往往对电网和负载产生谐波干扰，有时还对周围环境引起一定的高频干扰，这是在设计这些装置和系统时必须妥善解决的（见高次谐波抑制）。

从20世纪50年代中到70年代末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。70年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微机的发展对电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用，今后还将继续发展;其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。其中除普通晶闸管向更大容量（6500伏、3500安）发展外，门极可关断晶闸管(GTO)电压已达4500伏，电流已达 2500～3000安；双极型晶体管也向着更大容量发展，80年代中后期其工业产品最高电压达1400伏，最大电流达400安，工作频率比晶闸管高得多，采用达林顿结构时电流增益可达75～200。 随着光纤技术的发展，美国和日本于1981～1982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管(power MOSFET)和功率静电感应晶体管(SIT)已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGT或IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）也正在兴起，容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展。

参考文章

电力电子技术在电网中的应用主要体现在哪些方面？智能技术

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