电子技术在电气控制中的应用分析与发展

甘星，詹奕琨，徐咏康

南昌工程学院，江西南昌，330099

1 电子技术基本概念与发展特点

1.1 电子技术简介

电子技术是指一门专门研究电子元件与元器件电路构造和运用的科学技术，目前电子技术主要有信息电子技术和电力电子技术这两大块范畴。由于现代科技的迅速发展,电力电子系统也逐步向自动化的方面发展。电力电子系统具有可靠性高、节能效果明显等特点，目前电子信息技术已经渗透到工业生产和电能输送等领域，并发挥了巨大作用。在不断发展和进步的过程中，电力电子技术和信息电子技术之间相辅相成、共同进步。信息电子技术领域可分割为数字电子技术与模拟电子技术两大部分，而电力电子技术是现在电力系统的基石。在电力电子技术方面，转换的“电力”与电力系统中的“电”并不相同。虽然它们都有“电”这个词，但是后者比较具体，特别是电力网的“电”，而前者的范围更广。简单来说，就是将利用电力电子器件技术来改变和操作电能的技术称为电子技术。

1.2 电子技术的发展历程

19世纪末电子技术开始腾飞发展，在当时迅速地成为一种新兴技术并引起了重视。早在20世纪初，真空管被引入到通信和无线电领域中，电子技术便开始出现在电力领域，成为同类技术中的第一个。晶体管诞生于20世纪中叶，引发了电子学领域的电子技术革新。在20世纪下半叶，第一个用于电力领域的装置是硅二极管。七十年代末，全控型器件开始出现。硅二极管是在晶体管发明的基础上发展起来的，其发明是电子技术发展历史上的重大突破，对我国电力电子技术发展具有重要意义，推动电力技术发展再上新台阶。

20世纪80年代末，绝缘栅双极晶体管（IGBT）带来了一场新的改变。IGBT将MOSFET与GTO的优点结合在一起,在许多应用中得到了广泛的应用，一直到今天，这些技术都在不断地发展和完善。一方面，由于负载的变化，会造成开关的频繁切换；另一方面，传输过程中工作设备的损失也在迅速攀升。为了降低开关的损耗、延长开关的使用寿命，软开关技术应运而生，开发了以零电压开关和零电流开关为基本形式的软开关技术。

1.3 电子技术的特点与发展方向

电子技术的特征和发展方向有如下四个方面：①通过对大数据的精准分析，信息管理工程技术已经广泛应用于生活的方方面面；②工业生产中的大规模非手工化工作将由机器人取代，同时机械工业的生产方式也发生了巨大的变化；③电子信息识别、智能信息抽取和传输；④通过信息化、智能化环境实现机械过程的自动控制。

2 电子技术与电气控制的关系

2.1 电气控制发展情况与面临问题

近代物理学的快速发展，为我们提供了强大的理论基础，在这一基础上，我国的电控技术迅猛发展，应用范围更广，到处都能发现此技术的应用。当然，技术在发展，人们对物质生活的追求也更高，给电气控制技术带来了全新的挑战。现今，电气控制技术不同于以前，以往电气控制技术没有电子技术的支持，应用范围窄，目前电气控制技术和其他技术紧密联系，比如电子技术、数字电子以及电子通信等。这使得电气控制技术的应用更加全面，跟各行各业都有着千丝万缕的关系。随着技术的不断突破，电气控制技术在应用层面越来越稳定，具有操作便捷、准确度高、节能环保和安全等特点，这些特点相结合，造就了现代电子控制技术得天独厚的优势。通过应用电气控制技术，人们的生活和工作方式得以改善，变得更加舒适快捷，使我国电气技术的应用更加生活化，电气控制与人们的日常生活也结合得越来越密切。

简单来说，电气控制技术是将技术应用到实际的技术，目的是提高生产力。但在应用过程中，有个突出问题，这关系到我国的信息安全和国民的人身安全，即加强该项技术的安全性至关重要、刻不容缓，同时电力系统运行的稳定性和操作的复杂性也是问题之一，我们不仅要创新，使复杂操作简单化、自动化，更要最大程度地保证技术应用的安全。

2.2 电子技术在电气控制中的作用优势

2.2.1 提高电力系统运行的安全性

电力系统也是一把双刃剑，在给我们带来便利的同时，也存在着安全隐患，系统若出现故障，就极有可能造成安全事故，进而危及财产安全以及人身安全，所以必须保证电力系统的安全性。基于这一背景，电力系统与电子技术的结合就能很好地解决这一问题，电子技术能够代替人工，实现全天监视电力系统的运行状况，同时会根据标准判断系统是否正常。若系统出现异常，会自动尝试修复；若修复无果，则会关闭电力系统，避免安全事故的发生，并及时通知工作人员，对故障现场第一时间进行抢修。

2.2.2 拓宽电气控制的发展领域

以往的电力系统无法做到与各个领域的技术结合、可拓性低，而现在，电子技术相当于电力系统与其他先进技术之间的纽带。将电力系统与先进技术相结合，实现对电子设备的控制，推进相关企业朝着更加安全、智能化的方向发展。

实现电力系统升级。目前，我们所使用的电力系统庞大且复杂，整个系统中，不仅有电气控制技术，还需与多个领域的技术相结合，比如能源行业的技术，其操作复杂，电子技术能大大减少其中所要花费的时间，使复杂问题简单化，使整体设计更加严格和实用，提高了系统的运行效率和电能的生产运输质量，尤其是现在的特高压技术，人工操作风险太高，没有电子技术的支撑是绝对办不到的。

3 电子技术在电气控制中的一些常用应用与问题

3.1 PWM控制技术

PWM控制技术是指对脉宽进行人工改变，也就是通过改变一连串的脉冲宽度来得到预期的波形。根据自动控制的原理，使用形状各异但面积相等的脉冲，可以达到相同的效果。这个原理被称为面积等效原理，是PWM技术对波形进行改变的基础。

在逆变电路中的应用是PWM在电气控制中的一个重要方面，逆变电路在工业生产和电能输送方面得到了广泛和成功的应用，其中PWM功不可没。除了少数逆变器外，逆变电路大都由PWM控制，使得电力电子器件的选取变得容易，为人类的生活带来了极大的便利。交直流变流电路中的斩控式电路和逆变器电路是PWM技术的主力军，目前它们的应用领域还有待探索，但变频电路具有易集成化的优点，长期发展前景很好。

3.2 软开关技术

过去，在电子技术仍然采用硬开关技术情况下，经常会出现开关噪声、开关损耗这两个棘手的问题。而开关频率越高，噪声和损耗就越大。因此，如果持续使用这种开关技术，随着其频率升高，噪声和损耗会越大，开关的可使用时间下降，增加了开关的成本。于是软开关技术应运而生，有效地解决了这两个问题。一方面，通过减小开关时的电流电压消除了电压和电流的重叠，把电流的变化控制在合理区间，从而大大降低或消除了开关电流损耗。另一方面，将开关谐振过程中的电压电流控制在理想的范围内，解决了损耗和噪声的问题。

3.3 电子技术应用方面的共性问题

在电气电子设备的串联及并联使用中，当单个设备的电流或电压达不到要求时，需要把单个的器件串联或者并联起来工作，或与单个设备串并联。当晶闸管电压小于真实的需求，可将两个或多个的同型器件连接起来；如果晶闸管的额定电压大于真实的需求，则可以利用电容器来补偿电流或电压的不足。然而，由于一系列装置的漏电电流是相同的，这就造成了静态不均压问题，静态伏安特性的分散性表明，不同装置之间的电压是不同的。

4 电子技术在电气控制中的一些发展方向与研究

4.1 柔性直流输电技术

柔性直流输电技术是基于电子技术器件的特点和优势而产生的新一代直流输电技术。在电子技术器件IGBT、VSC等的发展进步下，应用于电气控制输电方面对比以前有了极大的提高，其不仅输送电压高、输送电量大、能够降低或消除输电过程中存在的故障，还能够在紧急情况下迅速恢复供电，同时使电压更稳定，且双极运输无需接地。除此以外，柔性直流输电技术还具有STATCOM的作用，其能使无功电流根据负荷中的电流迅速变化，从而有效地对电力网络的无功功率实施动态无功的补偿，与常规技术相比不需要使用无功补偿设备来保持电压的稳定。

4.2 电子技术在电气控制中的新能源领域应用研究

伴随着全球的高速发展，能源的消耗持续增加，能源问题已经日益明显，如何节约能源与开发新型能源技术已经成为急需解决的问题。目前存在的新能源技术有太阳能光伏发电、风力发电、水力发电、核能发电、生物发电等，各种技术发电都需进行不同的能量转换才能最终变成能够直接使用的电能，而在这一过程中的能量转换、并网控制、发电机的控制和电力储备等都需要使用电子技术。电子技术的优点可使这些能量的转换损耗大大降低，使转换电流电压更为稳定，同时减少故障的发生，增强智能化、信息化的控制，进而促使新能源发电输电技术的改善与提高，优化电力能源的结构。

4.3 基于电子技术原理在新型电力系统中的电气控制应用

新型电力系统是近年提出的以承载实现绿色发展的理念，形成以清洁低碳、安全可操控、灵活高效、智能友好、开放互动为特征的新型电力系统平台。电子技术在构建新型电力系统平台中起到了至关重要的作用，采用电力电子变压器等电力电子技术装备可提高电力系统的灵活性，新型电力系统中电力的产生、变换、输送等控制过程将全面实现电力电子化，新型的电力电子变压器具有基于模块化拓扑结构的智能冗余技术，碳化硅器件的低损耗高功率，集群在线效率寻优技术和精准模块化的人工智能技术等特点，可实现新型电力系统的各项技术要求。以可再生能源和电子技术设备为核心的新型电力系统运转主要体现在四个方面：一是发电的主体逐渐转为新能源，二是实现新能源与各类负荷实现良好的能量转换，三是终端用能的电气化，四是电力系统运行的改革。而这四个方面都离不开电子技术的作用，可见电子技术在新型电力系统中的电气控制部分有着十分重要的地位。

5 结语

随着社会的日益进步与发展，人们对电能供应的需求量也在日益增加，电力系统的负荷也在不断地增加，而电子技术在电气中的创新应用优化了电力系统的内部结构，减小了电力系统的损耗，提高了供电效率。同时，研究人员也在不断地对电力电子设备进行升级改良。但面对未来未知因数的挑战，我们仍不能放松懈怠，时代在进步，所有的东西都在与时俱进，电力作为时代发展的有力支撑，更有必要走在发展的前列。每一位科技工作人员和研究人员都应保持奋进向上、一丝不苟的工作态度，为人民、为社会、为国家贡献出自己的一份力量！