一文电力电子装置发展趋势

　　一、电力电子装置概要

　　电力电子装置（powerelectronicequipment）由各类电力电子电路组成的装置。用于大功率电能的变换和控制。又称变流装置。它包括整流器、逆变器、直流变流器、交流变流器、各类电源和开关、电机调速装置、直流输电装置、感应加热装置、无功补偿装置、电镀电解装置、家用电器变流装置等。

　　其中，直流电源可由整流器或直流变流器组成，用于直流电动机调速、充电（备充电电源）、电镀和科学仪器等的电源。交流电源可由变频器（见交流变换电路）组成。分为变频变压电源（用于交流笼式异步电动机调速）、恒频恒压电源（用以构成交流不停电电源）、交流稳压电源、中频感应加热电源（电源输出频率达8千赫，用于感应加热和淬火）、高频加热电源（电源输出频率高于8千赫，用于淬火和焊接）等。利用电力电子器件的快速开关性能，可构成静止式无触点大功率开关，代替传统的电磁式有触点大功率开关。

　　二、电力电子新技术的发展

　　应用技术高频化（20kHz以上）、硬件结构集成模块化（单片集成模块、混合集成模块）、软件控制数字化和产品性能绿色化（无电磁干扰和对电网无污染）是当前电力电子新技术产品的四大发展方向。

　　1、电力电子应用技术高频化

　　我们知道，工频（50Hz～60Hz）是发电的最佳频率，但它不是用电的最佳频率。如果电源频率提高，磁路截面积可以减小，从而电机体积减小，重量减轻。这种效果对诸如变压器、电抗器、镇流器等各种电磁元件都是适用的。为此，电力电子器件高频化是今后电力电子技术一个不容忽视的发展方向。频率越高，发出来的波形就越接近理想值，这个可以用屏幕的分辨率来比喻，分辨率越高，显示效果越好越接近真实值。

　　2、硬件结构集成模块化

　　早期的电力电子产品用分立元器件组成，功率器件安装在散热器上，附近安装驱动、检测、保护等硬刷板，还有分立的无源元件。用分立元器件制造电力电子产品，设计周期长，加工劳动强度大，可靠性差，成本高。因此电力电子产品逐步向模块化，集成化方向发展，其目的是使尺寸紧凑，实现电力电子系统的小型化，缩短设计周期，并减小互连导线的寄生参数等。电力电子器件的模块化和集成化，先后经历了功率模块、单片集成模块、智能功率模块等发展阶段。其中功率模块与驱动、保护、控制电路是分立的，而单片集成和智能功率模块中的功率器件与驱动、保护、控制等功能集成为一体。

　　3、软件控制数字化

　　用数字化方法代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动存储和自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化。

　　4、产品性能绿色化

　　电力电子设备的广泛应用同时，它给电力系统带来的谐波污染和电磁干扰问题也不容忽视。其危害性日益暴露。此外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件承受很大的电应力，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些电磁干扰信号给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰，对电力系统的正常运行和设备构成相当大的危害。

　　三、电力电子器件的最新发展

　　在未来，电力电子器件已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，也就说，当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性能亦大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。

　　四、电力电子装置的应用

　　1、在电力领域的应用

　　电力电子技术在电力领域的应用主要体现在发电、储能、输电和用电的过程中。在发电领域的应用，例如环保型能源包括太阳能、风能、地热能等清洁能源的开发。众所周知，这些能源的使用能解决一次能源的消耗更能保护环境。但是，在转换成电能的过程中由于电压和频率的波动很难得到广泛的应用。但是电力电子变换装置则能把这些波动的电力转换成稳定的电力输出。大大提高了新能源的使用。在储电领域的应用，例如超导线圈的磁场储能的研究。但是现在还没解决交流电能和低电压超大电流的直流电之间的转换的难题。但是，如果这一问题得以解决将是储能领域中重大的突破。在输电领域的应用，例如高压直流输电技术在远距离输电或者跨海输电的电力系统实现联网等方面的应用。在用电过程中的应用，例如变频电流的应用以及高精度洁净电源等各种电源的应用中，结合电力电子技术后都能起到锦上添花的作用，很大程度上提高了其性能。

　　2、在国防设备中的应用

　　国防力量的强弱象征着国家综合实力的强弱。国防相关的科学技术一直是各国家关注的焦点。电力电子技术已经发展为国防设备领域的核心科技之一。电力电子技术涉及到供电电源和功率驱动等各个领域。另外，新一代航母中的电磁弹射技术的应用中电力电子技术也发挥着重要的作用。高频电力半导体及高频变流技术在航天航空中的应用在提高其性能减小驱动功率的同时，大大减少了飞行器的体积和重量。

　　3、在交通运输中的应用

　　在这个生活节奏不断加快的社会，人们对于快捷便利的交通的需求逐日增加。交通问题是人们日常关心的问题之一。在铁道交通中如磁悬浮技术，轻轨机车的自动控制系统等的发展都涉及电力电子技术。不仅如此，电力电子技术在其他的交通方式，如船舶飞机等的发展过程中电力电子技术也起着举足轻重的作用。

　　五、电力电子装置的发展趋势

　　1、电力电子技术的集成化

　　电力电子技术的集成化能满足人们对方便、快捷、便于携带等的要求。电力电子技术的逐渐集成化有利于减小产品体积和重量，提高产品的功率密度和性能。满足人们的更多新的需求。

　　2、电力电子技术的智能化

　　所谓智能化，是提高产品的自动调节的能力。以减少人力物力。主要包括提高效率和功率以及调速范围和性能等几方面的智能化。各种电力电子器件的智能化对制造结构简单、功能齐全、运行可靠的性高的产品提供了方便的服务。

　　3、电力电子技术的通用化

　　既然电力电子技术得到了很广泛的应用，那么使电力电子技术通用化就是提高电力电子技术的应用范围，减低生产制造的成本。

　　4、电力电子技术的信息化

　　信息化对经济的发展有着不可替代的作用。信息化一直是人们追求的目标。现代信息化技术也逐渐运用到电力电子技术中。使得电力电子技术不但是能量的转换和传送装置，也具备了信息传送和交换的功能。

　　5、电力电子技术的绿色化

　　在倡导环境保护和节能减排的今天，科学技术的绿色化是人们关注的重心。电力电子技术在开发新能源发面的应用是人们对绿色能源的追求。电力电子技术在太阳能、风能、地热能等应用也给了人们希望的曙光。只有科学技术的绿色化发展，才能实现社会的可持续发展的目标。