电力电子技术的发展

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一种现代技术， 基本功能包括： 整流 （交流变成直流）、 逆变 （直流变成交流）、 斩波 （直流变成直流）、 变频 （改变供电频率）、 开关和智能控制等。 它使电网的工频电能最终转换成不同性质、 不同用

途的电能， 以适应用电装置的不同需要。电力电子在国民经济中具有十分重要的地位。 为了合理高效地利用电能， 现在发达国家电能的 75％要经过这种变换或控制后使用。 目前我国经过变换或控制后使用的电能仅占 30％， 70％的电能仍采用传统的传输方式， 远远达不到应用电力电子技术才能实现的效果。电力电子技术天生具有节能的效果。 应用电力电子技术改造传统设备， 单台节电率平均可达 20％左右。采用电力晶体管 （GTR） 等功率集成器件的交流高效调速装置， 可使风机和泵类设备调速运行的耗电量比传统的节流方式要少30％左右。采用静电感应晶闸管 （ SITH） 或功率 MOS 场效应晶体管（MOSFET） 以及能可靠地工作于 50kHz的高频电子镇流器替代工频电感镇流器， 可节电 20％以上， 若用稀土三基色高效荧光灯和电感镇流器则可节电 50％。采用 MOSFET开发的逆变式电焊机， 工频交流和直流弧焊机节电 30％～40％， 省材 3/4。 改造 1 万台直流弧焊机则可节电 1 亿103电器、硅整流和其他设备节能kW·h。 若使工频电炉高频化， 则效率将由 50％提高到 70％以上。采用不对称晶闸管 （ASCR） 或 MOSFET、 SITH， 使中频电源高

频化， 不仅可提高电热转换效率， 而且可扩大应用领域。若用静电感应晶体管 （SIT） 代替电子管， 则效率可达 80％左右。电力电子装置主要包括三大类产品： 变频器、 电能质量类产品（含无功补偿 SVC、 高压直流输电 HVDC、 柔性交流输电 FACTS等）以及电子电源产品。电力电子技术在输配电系统中的应用主要有柔性交流输电技术（FACTS）、 高压直流输电技术 （ HVDC） 和静止无功补偿器（SVC）。SVC是用以晶闸管为基本器件的固态开关替代了电气开关， 实现快速、 频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用， 即用户电力 （CP） 技术。 CP技术和 FACTS技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。电力电子技术的核心是电力电子元器件技术。 电力电子元器件的发展先后经历了整流器时代、 逆变器时代和变频器时代， 并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。1.整流器时代大功率的工业用电由工频 （50Hz） 交流发电动机提供， 但是大约 20％的电能是以直流形式消费的， 其中最典型的是电解 （有色金属和化工原料需要直流电解）、 牵引 （电气机车、 电传动的内燃机车、 地铁机车、 城市无轨电车等） 和直流传动 （轧钢、 造纸等） 三大领域。 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，因此在 20世纪 60 ～70年代， 大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。

2.逆变器时代

20世纪 70年代出现了世界范围的能源危机， 交流电动机变频调速因节能效果显著而迅速发展。 变频调速的关键技术是将直流电逆变为 0 ～100Hz的交流电。 在 20世纪 70 ～80年代， 随着变频调速104工业企业实用节电技术装置的普及， 大功率逆变用的晶闸管、 电力功率晶体管 （GTR） 和门极可关断晶闸管 （GTO） 成为当时电力电子器件的主角。 类似的应用还包括高压直流输出电源和静止式无功功率动态补偿等。 这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变， 但工作频率较低， 仅局限在中低频范围内。

3.变频器时代

进入 20世纪 80年代， 大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展， 为现代电力电子技术的发展奠定了基础。 将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合， 出现了一批全新的全控型功率器件。 首先是功率 MOSFET的问世， 导致了中小功率电源向高频化发展， 而后绝缘门极双极晶体管 （IGBT） 的出现， 又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。 MOSFET和 IGBT的相继问世， 是传统电力电子向现代电力电子转化的标志。 据统计， 到 1995年底，功率 MOSFET和 GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地

步， 而用 IGBT代替 GTR在电力电子领域已成趋势。