0.3 现代电力电子技术的基本特征

0.3.1 以弱电控制强电，成为连接信息产业和传统产业的必要环节

21世纪高新技术迅速发展，方兴未艾，最突出的特点是：① 巨型计算机取得惊人的突破；② 微型计算机迅速进入我们日常生活及工业生产的各个方面；③ 微电子技术取得重大进展；④ 通信技术正在走向数字化和个人化；⑤ 多媒体技术日新月异；⑥ 生物技术、航天技术、激光技术、超导技术等新技术正在蓬勃发展。

所有这一切表明：如果说19世纪是个蒸汽时代，20世纪是电气和内燃机时代的话，那么21世纪无疑将进入一个“信息时代”。信息社会的特点是信息的大量存储和快速传递。但由于信息不能直接产生能源、制造产品，故在信息社会中传统产业将继续存在下去。因为作为信息时代重要标志的计算机是第一次电子革命——大规模集成电路（VLSI：Very Large Scale Integrated Circuit）的产物。但是集成电路本身是弱电，不能直接控制和驱动电气时代工业革命的主力——电机及各种电力设备。以功率集成器件（IPM：Integrated Power Module）为代表的电力电子技术所具有的独特的弱电控制强电的作用，使其成为信息产业和传统产业之间的一个必不可少的接口，必将形成一个庞大的产业。在器件、线路或控制技术任一领域出现突破，均会使系统性能进一步提高，成本进一步下降，从而产生巨大的经济效益，有人称其为第二次电子革命。正如工业社会中的拖拉机使从事农业生产的人数大大减少一样，电力电子技术加计算机控制构成的交流电机变频调速传动系统已广泛应用在数控机床，加工中心及机器人生产线中，实现了整个工厂的全面自动化，使人类从繁重的传统工业劳动中解放出来。

可以说：电力电子技术是信息产业与传统产业之间的桥梁或接口。信息产业要发展，传统产业要改造，都离不开电力电子。离开电力电子技术，信息社会将成为空中楼阁；同时，离开电力电子技术，传统产业将走进能源枯竭和污染环境的绝路。

0.3.2 可以节约电能，缓解能源危机，减少环境污染

当我们展望未来，目睹工业革命给人类带来巨大进步的同时，不能忘记事物的另一方面，我们生活的这个星球将面临着两个严重的危机和挑战：即能源的日益枯竭和环境的不断恶化。能源给人类带来巨大的财富，然而，在对大自然贪婪的索取中，在为大自然的恩赐而死命的拚搏中，人类已经陷入了自己设置的重重陷阱之中。世界石油储备只够使用30～50年，我国剩余的可采量只有世界人均量的1/10，我国煤炭的人均储量占世界平均值的1/2。我国能源生产和消费已列世界第二，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。由于缺电，拉闸限电成为常事，正常的生产秩序被打乱，造成巨大的经济损失；另一方面，在能源十分紧张的情况下，浪费现象却十分严重。而且大量的煤炭和石油没有经过任何深加工就被烧掉，不但热利用率低，还造成环境的极度污染。目前城市大气污染总量的半数以上来自燃油汽车系统，汽车废气排放过度，已造成全球性的温室效应。解决交通拥挤、环境污染问题和节约能源的重要途径之一是发展高速公共交通工具（地铁，城市轻轨）及电动汽车和电力机车，其核心技术就是20世纪80年代以来飞速发展起来的现代电力电子及交流电机传动技术。此外，在轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等工业和民用领域中也广泛使用大中容量交流电机调速系统。此时，交流调速系统的应用不但可达到节能的目的，还可实现整个系统的性能最佳，改善工艺条件，并大大提高生产效率和产品质量。

我国国民生产总值已进入世界前茅，但是单位产值能耗非常大，是工业发达国家的几倍，造成能源的很大浪费。根据国家经贸委1995年的全面调查统计，我国发电量的60%～70%左右用于推动电动机做功，其中90%的电机是交流电动机，大部分为直接拖动。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。再考虑到电力从发出，到传输和使用中，如调峰、励磁、网损、无功及各种用电设备上的浪费，全国总的数量加起来十分惊人。如占工业用电30%以上的各种风机、泵类负载全国约4700万台，1.3亿千瓦（kW）。由于此类负载工况变化较大，如采用现代电力电子及交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电20%计算，对全国来说年节电500亿度（kW·h），相当于1500万kW发电站的年发电量，其投资仅为电站增容投资的1/3～1/2，并且由用户承担，一般1年多即可收回。既节约了国家几百亿元的电力建设投资，还可为制造企业带来700～1000亿元的市场，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的污染排放，有很好的经济效益和社会、环境效益。总之，能源资源的开发，投资大、周期长、见效慢；而节约能源的技术工艺改造，却投资少、周期短、见效快。电能是一种二次能源，节电必然节约一次能源，如煤炭、石油、水能等，节电必然节约大量的投资，可以相对少建电厂，少修铁路，少开煤矿，是事半功倍的好事。节电既能有效解决能源短缺，又能节约煤炭，还可保护环境。在城市供水及污水处理、电厂降耗、减少废气污染的环保工程中，交流电机变频调速技术发挥着巨大作用，带动了环保产业的发展。

0.3.3 典型的高技术及很多高新技术的支撑技术

现代电力电子不但本身属于高技术（如现代电力电子器件IGBT的制造就需要采用微米级的大规模集成电路制造工艺及新材料），而且，还是诸多高新技术的支撑技术，如航天、航空、计算机、电视机、程控交换机及各种工业设备用开关电源、高频电源、中频电源、整流电源就属于电力电子技术的一个重要应用领域。据国外预计，大到发电设备，小到家用电脑、电器，将有80% 的用电设备经过电力电子装置变换的电源供电（交流调速装置实际上可以认为是一种变频电源）。这些电源是一切工业设备和信息产品的动力源，也就是说处于“心脏”地位，具有“供血”功能。现代社会将越来越难以忍受“心脏”失效带来的不便和损失，因此，电源的设计和可靠运行越来越受到人们的重视。随着零电流，零电压准谐振开关变换技术的提出，功率变换器的开关损耗大大降低，频率大大提高，从几十千赫上升到兆赫级，相应地功率密度大大提高，为各种计算机系统电源体积的减小做出巨大贡献。20世纪90年代后，又提出了零电压及零电流过渡的软开关技术，进一步将PWM技术和谐振技术结合，对降低器件应力（即器件容量），提高器件使用寿命，提高系统效率及功率密度很有必要。如在宇航电源系统中，功率密度可达每平方英寸80W。

总之，从国外情况来看，现代电力电子技术及其产品已成为一些工业发达国家的支柱产业。目前，国内各经济主管单位已经把现代电力电子技术及其产品的开发、推广、应用、产业化发展作为新的经济增长点来培育。我们有理由认为：推广应用现代电力电子技术既是新时期节能工作的需要，也是促进产业结构升级、培育经济新的增长点的需要，两者相互促进，共同发展，是实现经济增长方式转变、国民经济持续发展的一项具体措施和手段，还将带动和促进相关产业——电气传动、超大规模集成电路、电子与计算机控制等行业的共同发展，其市场前景和经济效益是十分良好的。