电力电子技术及其应用

0.前言20世纪以来，电力电子技术取得了飞速发展，其在各种电气自动化系统和电控装置中的应用也日益广泛。

各种自关断器件不断涌现，性能不断改替，容量也不断增大。

以PWM控制为代表的、采用数字控制的电力电子装置性能日趋完替。

同时，电力电子装置的应用范围也从传统的工业、交通、电力等部门扩大到信息及通信、节能、家用电器等各个领域。

这样，电力电子技术已成为一门非常重要的基础技术，是目前电工学科中最活跃的一个分支。

1.电力电子技术与各学科的关系1.1与电子学的关系电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同。

现代电力电子器件制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。

1.2与电气工程的关系电力电子技术广泛用于电气工程中的高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源等领域。

通常把电力电子技术归属为电气工程学科，并且电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支,其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力。

1.3与控制理论的关系控制理论广泛用于电力电子系统中,使电力电子装置和系统的性能满足各种需求。

电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带。

控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

2.电力电子器件电力电子器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。

电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。

至今电力电子器件发展可分为三个阶段，电力电子技术的发展也相应地分成三大步。

2.1不可控器件1955年美国通用电气公司研发了第一个电力电子器件一一硅整流管(SR)。

它的问世使变流技术从机械整流、汞弧整流进入电力半导体整流。

1957年出现了硅晶闸管(SCR)，接着晶闸管的派生器件：逆导晶闸管(KN)、双向晶闸管(KS)、快速晶闸管(KK)、门极辅助关断晶闸管(GATT)、非对称晶闸管(ASCR)等相继问世，从而使电力电子技术不仅具有整流功能(交流→直流)，而且具有逆变(直流→交流)、斩波(直流→直流)、变频(交流→交流)等功能。

在这一发展阶段的电力电子器件，基本上都是分立器件或几个分立器件的组合，它们能被控制导通，而不能被直接控制关断，要靠“电流过零”或强迫换流才能关断，这就形成了以晶闸管及其派生器件为代表的第一代电力电子器件。

2.2半可控器件半可控器件的代表是晶闸管，它在1956年由贝尔实验室发明，并在1958年由GE公司组织生产，称为硅可控整流器(Silicon Controlled Rectifie或SCR)，中文简称晶闸管。

晶闸管是一个四层三端结构，三个端子分别为发射极、集电极和门极，它的导通条件除集电极与发射极问加正向电压外，还需在门极加正向脉冲，否则不能由断态转变为通态。

另外，晶闸管开通后没有切断电流的能力，要靠电流自行过零，才能恢复阻断状态。

因而，这是半可控器件，即只能控制开通而不能控制阻断。

80年代发展起来的半可控电力电子器件，主要有巨型晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管((IGBT)、单极场控晶体管(电力MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)和MOS控制晶闸管(MCT)等，形成了第二代电力电子器件。

在结构上，它们具有功率集成器件的特点，在功能上，它们具有通过电流信号(或电场)控制器件导通或关断的特点。

2.3全可控器件全控型器件主要是功率晶体管GTR，功率场效应管Power-MOSFET，门极可关断晶闸管。

GTR是一种NPN开关器件，可用基极电流开关集电极主电流，即具有自关断能力，它还具有开关时间短、通态电压低、开关损耗小、高频性能好、驱动简单、成本低廉等优点。

因此它正在中小功率交流调速、逆变及斩波等方面取代着晶闸管的地位。

GTR可工作在10kHz，广泛应用于500kW以下的感应电机变频调速、不间断电源以及脉冲电源。

门极可关断晶闸管GTO是一种既可在门极加正脉冲使之由断态变为通态，又可在门极加负脉冲使之由通态变为断态的器件，因此这种器件可控制电路的通断。

3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛.它不仅应用于一般工业,在交通运输、电力系统、计算机系统、通信系统、新能源系统等也有广泛的应用，在与我们生活息息相关的照明、家用电器领域中电力电子技术也有广泛的应用。

3.1电力电子技术在电力系统中的应用将电力电子技术引入电力系统并获得广泛应用的领域，首推应是同步发电机励磁系统，这种励磁系统由于动作迅速，容易设计出高顶值电压，并且控制功率小，因而，作为电压调节系统具有优越的性能；另一领域是交流电动机的变频调速，它的应用，节约了可观的电能。

近年来，国外还研究将电力电子技术引入抽水蓄能电站，以提高水泵水轮机的效率，并已取得成果。

在电力系统的发电、输电和配电环节中都离不开电力电子器件和电力电子技术。

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用极大地改善这些设备的运行特性。

在输电环节中，电力电子器件大量应用于高压输电系统，被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。

电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和小对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。

电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，成功地解决了这些难题。

3.2电力电子技术在一般工业中的应用在工业中大量应用交直流电动机进行电力拖动，直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。

近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。

电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。

电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。

3.3电力电子技术在家用电器中的应用照明在家用电器中有十分突出的地位。

由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。

电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。

此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。

电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们（下转第105页）电力电子技术及其应用王胜权1张劲1刘小旭2（1.中国矿业大学信电学院江苏徐州221116；2.中国矿业大学孙越崎学院江苏徐州221116）【摘要】电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。

本文综述电力电子器件和电力电子技术的应用，并展望电力电子技术的发展趋势。

【关键词】电力电子技术；电力电子器件；应用●1.我国煤炭资源状况煤炭在我国能源资源中居绝对优势地位，储量位居世界前列，这必将作为我国未来发展的一个重要筹码，为我国在国际竞争中增加竞争力。

我国能源资源丰富，据统计，我国常规能源资源总量为40.5亿吨标准煤，其原煤5.5万亿吨（占资源总量的89.3%）。

已探明能源资源总量为8231亿吨标准煤，其中原煤占87.4%。

探明经济可开发的剩余可采总储量1392亿吨标准煤，其中原煤1145亿吨（818.5亿t 标准煤），占58.8%。

按照我国煤炭地质总局1999年第三次全国资源预测，全国煤炭资源总量为5.57万亿吨，而探明煤炭储量为1.04万亿吨，探明经济可开发的剩余总储量为1145亿吨。

在探明储量中烟煤、无烟煤、褐煤分别占75%、12%、13%。

以上这些数据足以显示我国煤炭资源的领先地位。

然而我们并不容乐观，因为我国人口基数过大，导致我国人均能源资源占有量很低。

所以我国在今后的发展中一定要重视节约能源，提高能源利用率。

2.煤炭的主要用途以及生产和消费现状2.1煤炭的主要用途煤炭的用途十分广泛，可以根据其使用目的主要分为两大类：动力煤和炼焦煤。

2.1.1动力煤的主要用途（1）发电用煤：我国约1/3以上的煤用来发电。

（2）蒸汽机车用煤：占动力用煤的2%左右。

（3）建材用煤：约占动力用煤的10%以上，以水泥用煤量最大其次为玻璃、砖、瓦等。

（4）一般工业锅炉用煤:除热电厂及大型供热锅炉外，一般企业取暖等工业用煤量也比较大，用煤量约占动力煤的30%。

（5）生活用煤：生活用煤的数量较大，约占燃料用煤的20%。

（6）冶金用动力煤：所用动力煤主要为烧结和高炉喷吹用无烟煤，用量不足动力用煤的1%。

2.1.2炼焦煤的主要用途主要用于炼焦炭，焦炭由焦煤或混合煤高温冶炼而成。

焦炭多用于炼钢，是目前钢铁等行业的主要生产原料，被誉为钢铁工业的“基本粮食”。

2.2我国煤炭生产和消费现状2002年，我国能源生产总量达13.9亿吨标准煤，其中原煤13.8亿吨（占一次能源生产总量的70.7）。

据统计，从80年代初到21世纪初，我国能源生产年产6.165亿吨增长到13.804亿吨，总体上呈上升趋势，增长较快，但在90年代末曾有明显下降。

然而消费却仍旧快速增长，导致我国从一个石油净出口国成为石油净进口国。

目前，随着我国的快速发展，用电量也越来越大，我国现在发电总量逐年持续稳定增长，已位居世界前列，其中煤电占主要比重。

如今我国能源基本实现生产和消费平衡，但随着国民经济增长和人民生活水平提高，能源需求必将大幅度增加，自从进入21世纪以后我国能源消费的增长已经超过经济增长速度，我国也出现了能源短缺的局面。

从长远看，这种能源相对短缺将会长期伴随我们。

除此之外，能源利用率低以及人均占有量少这也是我国能源生产和消费中不容忽视的问题。

所以我国在未来发展中一定要重视提高能源利用率。

如果做到这一点，那将会给我国经济发展带来不可估量的财富。

3.煤炭对环境造成的污染虽然我国煤炭资源丰富，煤炭为我国创造了很大经济财富，但我们不得不说它是一把双刃剑，近年来煤炭对我国的环境已造成了严重影响。

煤燃烧释放出二氧化硫、氮氧化物，污染空气，毒化水质，形成酸雨。

我国有不少地方的土地也因酸雨而遭到破坏，不少旅游景点也失去了昔日的光彩。

煤炭开采破坏了生态，引起了地表下沉，矿井水外排破坏了人们的生活环境，对社会文明和进步造成不利影响，同时导致地下水位大面积大幅度下降，使矿区主要供水水源枯竭，地表植被干枯、自然景观破坏、农业产量下降，甚至引起地表土壤沙化。

除此之外，煤炭生产过程产生严重的噪音污染已成为矿区的主要的环境污染之一。