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研究电力电子技术在电气工程的应用

一、概述

电力电子技术是利用电子器件及技术实现电能变化与控制的技术，涉及到电

力、电子与控制三个领域，实现了利用弱电子控制强电力，在工业、农业、交通、

能源、国防等众多领域中得到了广泛的应用。电力电子技术在电气工程中的应用

也比较广泛，例如电动机、发电机中的应用提高了电能生产与利用、转换方面的

效率，有着节约能源与提高生产率的显著作用；电气系统中的应用增强了系统的

稳定性与安全性，使电气系统实现了灵活可控，提高了运行的稳定性与安全性。

因此，要在学习电力电子技术的前提之下，了解电力电子技术在电气工程及其自

动化中的应用，提高对电力电子技术的认识与利用。

二、电力电子技术的发展历程

如果说晶体管的诞生标志着固态电子时代的来临，那么晶闸管的问世就把电

子技术带上了飞速发展的轨道。随着高技术的发展，电力电子技术发展速度也越

来越快，更多的领域开始应用这一技术，其作用可以从我国经济的发展看出。纵

观电力电子技术的发展史，我们可以看出其经历了三个阶段：晶闸管时代、逆变

时代、变频时代。

1.晶闸管时代

晶闸管时代也称晶闸管整流时代，晶闸管整流管在20世纪60和70年代得

到了长足的发展，当时都是通过50HZ的交流发电机来提供较大功率的工业用電，

其中直流形式的电能消费占了百分之二十。在当时，我国很多电厂都需要把交流

电转化为直流电，这就催生了大功率硅整流器和晶闸管，它能高效的完成直流电

的转变。这也造就了晶闸管整流时代。

2.逆变时代

到七十年代以后，自关断器件登上了历史舞台，随之也带来了电力电子技术

逆变时代。所谓“逆变”即是将直流电转换成交流电。世界范围内的能源危机，普

遍提高了人们的节能意识，大众普遍使用交流电机，因为更加节能。所以电力器

件包括GTO、GTR，还有就是大功率的逆变晶闸管。

3.变频器时代

上述的逆变时代，虽然完成了逆变和整流的功能，但是其工作频率相对来说

比较低，满足不了人们逐渐扩大的需求。所以，到80年代后期出现了集成电路。

这种大规模的集成电路主要特点是将高压大电流技术和精细加工技术融为一体，

标志着现代电力电子变频器时代的到来，标志着传统电力电子技术的升级。这时

期的电力电子器件走复合化的道路，各器件的结构也越来越紧密，因为结合了各

类器件的优点，显得功能也越来越强大。纵观世界现状，电力电子技术的发展方

向将是高频化。

三、电力电子技术的应用对于电气系统的重要意义

电力电子技术和计算机技术以及自动化控制技术密不可分，电力电子技术的

应用能够提高电气系统的效率，增强控制电气系统自我控制的能力，提高电气系

统的服务质量。电力电子技术应用于电气系统主要意义在于以下几个方面：

1.提高电气系统自动智能化程度。电力电子设备的应用为电力电子技术的发

展提供了崭新的契机，同时加快了电气系统自动智能化步伐。特别是模糊控制和

智能化控制的发展为电力电子设备的发展提供了足够的助力。

2.提高经济效益和社会效益。电力电子技术的发展能够提高设备和系统的工

作效率和能源转化效率。此外，还能够有效降低财力和物力的支出，缩短运行周

期，同时还能够提供更为放心的电力资源，赢得良好的社会效益。

3.完善产业结构和管理形式。电力电子系统的影响并不只是存在于技术层面，

而且对电力企业的产业形式也产生了重大影响。电力电子技术使得电力产业成为

新型产业，提高企业整体的完善性。

四、关于电气工程中电力电子技术的应用

1.全控型电力电子开关逐步取代半控型晶闸管，晶闸管作为第一代电子电力

器件，在我国电气工程发展中起着十分重要的作用，伴随着电力技术的发展和提

高，交流变频技术的兴起，第一代半控型晶闸管已经不能适应现代化电气系统发

展的要求，以CTR/GTO/P-MOSEFT为代表的第二代全控式电力电子开关逐步的

被广泛的研制和应用。根据各种器件的性能适应于各个电流、电压额等电气系统

范围中。而由于第二代全控型器件必须要有较大的控制电流，使电流在控制方面

难度增加。而MOSFET作为一种电压驱动器件，其对驱动电力要求简单，开关时

间快，并且安全工作区十分稳定，但是其通态电压额会随着额定电压的增加而倍

增加，从而不利于P-MOSFET的推广和应用。在这种背景下，作为新一代的复合

型电力电子器件IGBT/MGT应运而生，IGBT拥有和MOSFET一样的高输入阻抗、

高速特性和GTR大电流面密度特性的混合器件。开关速度快，通