引論：我們為您整理了13篇電力電子技術論文范文，供您借鑒以豐富您的創作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發您的創作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
1.2智能化發展
我國的電力電子技術已經進入到了一個相對成熟的階段，而國家的相關科研單位也開始著手在其中加入更為高端的科技手段。這種做法不僅有利于電力系統的向前發展，同時還會增加電力電子技術的使用范圍，讓其更加的智能化與人性化。
1.3電力電子技術的高頻化
伴隨著電力電子技術的廣泛使用，為了讓其能夠更好的為我國的電力系統服務，已經開始逐漸的對傳統技術手段進行了突破，將運行系統不斷的高頻化。這樣不但節約了企業的設備占地面積，同時還從很大程度上提升了電力系統的運行效率。
2電力電子技術在電網中的應用現狀
2.1在發電系統中的應用
發電系統是整個國家電網中的重中之重，那么電力電子技術在這個系統中的應用也將起到至關重要的作用。其主要的功能為改善發電設備的運用效率以及調節運行系統中的功能效率等，其中包括發電機勵磁的控制、恒頻、以及水泵的調速等等。電力電子技術主要應用的是晶閘管在勵磁中的價格、性能、結構等優勢，從而保證其能夠更完美的應用與電力系統當中。除此之外，在風力以及水力發電機的操控當中，電力電子技術主要依靠的是變頻電源來掌控轉子勵磁電流的轉換頻率，以保證電力能源能夠發揮出最大的有效使用功效。在我國的各大企業中，能夠制造高壓力變頻器的實屬鳳毛麟角，所以電力電子技術將有效的填補這一部分的空白。
2.2在輸電系統中的應用
電力電子技術在我國電網的輸電系統中主要應用的是柔流輸電技術，這種技術能夠將電力系統中的電壓、功率、相位角進行有效的控制與調節。在電力能源進行輸送的過程當中，難免會出現不同程度上的消耗，而這種技術的應用將從很大程度上將其輸電能力的穩定性進行改善。針對我國電網目前的情況來看，如果采取遠距離高壓直流輸電的話將會相比交流輸電降低很大一部分的損耗，因為直流輸電將避免電抗壓降的問題，并且還會降低電纜網線等設備的投入資金，這樣不僅能夠解決穩定性差的問題，同時還會緩解企業的經濟壓力。
2.3在配電系統中的應用
在配電系統中最為重要的就是提高電力能源的質量和供電系統的穩定性。而這兩項是否能夠過關將取決與電壓、不對稱度以及頻率等相關因素的質量能不能達到標準。而電力電子技術在國外的一些大企業當中也取得了比較成功的成績，并且也為企業帶去了相當可觀的經濟收益。電力電子技術可簡稱為DFACTS技術，在配電系統的應用中可以被理解為是一種控制單利能源質量的新型技術。與此同時，由于DFACTS設備同FACTS設備的功能與使用方法大致相同，所以DFACTS的設備也可以被理解為是FACTS的濃縮版本。
2.4在節能環節中的應用
節約電能大致包括兩個方面：電動機的節電潛力和電動機的調速節電技術，這兩中節能方法有效的相結合才能夠形成一個比較完善的節能體系。就我國目前的形式來看，交流調速技術已經被廣泛的應用到了礦山以及煉金等重金屬行業中，而在國外較發達的國家中，在水泵以及風機等設備的運行中也都相繼的應用了交流調速技術。
篇2
當前,電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發展
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數字化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
參考文獻：
篇3
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992。
[2]季幼章:迎接知識經濟時代,發展電源技術應用,電源技術應用,N0.2,l998。
篇4
2.1電氣節能介紹
有源濾波、電能質量及變頻調速等內容都屬于電氣節能的范疇，其中電機節能最為重要，主要是采用變頻調整方式，改善風機、泵類電機系統，而電氣節能方面中的變頻調速系統的電力來源主要是變頻器，在社會經濟發展和科學技術不斷進步的過程中，變頻調速方面的相關技術獲得了很大的完善，具有非常廣闊的應用，相關設備的更新頻率大大降低。如果我們使用變頻技術，使電機根據我們需要的速度進行運行，對原有的系統進么智能改造和控制，僅電機這一項消費我國一天就可以節約大約30%的電能，工業領域的節能效果更大。由此可見，這是我們不容忽視的一個重要作用，關系到了國民經濟高效的發展。
2.2風力、太陽能等新能源發電
目前世界范圍內應用頻率較高的可在利用新型能源主要包括：生物質能、太陽能、風能及地熱能等，但這些新型能源的利用都必須要借助大容量電力電子系統來實現。電力電子技術在利用新能源進行電力生產的過程中，具有較大的供應不確定性，必須要根據天氣的變化進行調整，必須要滿足電網電力、并網發電方面較高的要求，可以保障供應電能的質量，不存在較大的功率變化情況。由于我國的科學技術發展水平較低，依靠引進國外網格轉換器的方式來進行電力生產，需要進行進一步的研究和探索，從根本上提高設備的穩定程度，優化設備性能，并應用統一、規范、系統的標準對應用設備進行管理和控制。
2.3電力牽引
隨著交通流量的增大，交通事業的進步成為各個國家關注的重點，應用電力牽引方式，對電動汽車、地鐵、高速鐵路及輕軌等交通設施進行改造成為主流化趨勢。例如：高鐵的機頭。目前，高鐵已覆蓋了我國的等多數地區，已經將利用電力牽引的汽車在一些地區進行應用測試。這些混合性電力動力汽車所需的變換器的來源是國外技術發達的國家，我國要加大對電力牽引方面的研發力度，如：開發集成技術和冷卻技術來提高電力電子變換器的效率和功率密度；
2.4智能電網
智能電網是一個新概念，一般認為電力電子技術為智能電網的實施提供了堅實的技術保障，能夠提供更大的動力，還涉及到電網控制技術、傳感技術等多種先進的技術。其中，傳感技術、儲能技術、輸電技術及控制技術等都涵蓋于電力電子技術的范圍內，能夠使電網發電形式轉變為新型能源開發，大大提高電網的工作效率，變得更加安全可靠。我國電力體制改革和建設工作實施過程中，對特高壓輸電內容的研究充分運用了智能電網技術，并在一些城市建造成功，能夠對高達800kv的電壓進行輸送。根據我國對電網建設方面的設計規劃工作，預期在2020年投資將近一億元人民幣進行特高壓輸電建設；并2030年真正建成具有自愈能力的智能電網。
3主要關鍵技術
（1）硬件和電力半導體器件的發展分析。系統的性能和可靠性往往由設備的好壞決定，而大容量電力電子應用系統對高功率半導體器件要求更高。目前，寬帶隙的新型半導體的開發，如碳化硅材料，被人們越來發揮重視，還有對氮化鎵（GaN）設備的發展也引起了人們的關注。（2）拓撲的研究。在對多電平變換器拓撲關系及結構方面的探索處于低級階段，預測在未來的發展過程中會向著混合式結構形式的方向發展。（3）應用PWM控制方法。大容量多電平轉換電路是脈沖寬度調制的主要應用領域，但由于拓撲結果形式及特征各不相同，必須要滿足相應的功能要求。
4存在的關鍵問題分析
（1）半導體開關器件的特性沒有完全足夠掌握。（2）主電路的設計未能與實際緊密結合，協調配合有所欠缺。（3）對不清楚的裝置、設備的電磁瞬態過程進行描述。（4）缺乏對設備的失效作用分析。目前仍需要處理的任務為：（1）提高設備模型的適應能力。（2）定義對可靠運行區域。（3）理解不同時間尺度過程。（4）能源控制問題。
篇5
由于電力電子技術課程中的各種電路形式復雜多樣，因此以三相橋式全控整流電路為例，來說明電力電子技術的仿真教學過程。三相橋式全控整流電路在工業生產中具有重要位置，大量用于電解、電鍍、直流電機傳動、勵磁等場合，因此該電路是電力電子技術課程的重點內容。三相橋式全控整流電路為如上所述教材的3.2.2節內容，主要包括電路原理圖、電阻性負載、阻感性負載工作情況三部分內容。該節課程的知識目標定位于掌握三相橋式全控整流電路的組成、特點及應用，理解三相橋式全控整流電路的工作原理；能力目標定位于能夠根據電路圖搭建相應電路并進行測量，同時能夠根據任務要求開展相關實驗。該節課程的仿真教學過程中首先讓學生掌握電路結構，然后針對不同負載情況下，讓學生理解工作原理并學會波形分析及參數定量計算，最后結合“自動控制原理”及“電機學”課程相關內容，給出仿真實驗任務，目的讓學生逐步進入狀態，逐步掌握學習這門課的方法，下面給出仿真教學中需要注意的教學重點，其它教學部分可參考相應教材，這里不再贅述。
1.三相橋式全控整流電路結構該部分首先介紹三相橋式全控整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，它區別于單相整流與三相半波整流，具有功率大、直流脈動小等優點，同時采用幻燈片播放實際應用案例的形式，來增強學生對該部分內容的感性認識，并提高學生的學習興趣。其次，介紹該電路中包含六個晶閘管元件，是目前學習中器件最多的電路，需要學生們認真理解六個晶閘管器件的觸發工作過程。再次，采用MATLAB仿真軟件搭建三相橋式全控整流電路原理圖，如圖1所示。搭建的過程中，一定要強調以下幾點：①晶閘管器件編號務必為共陰極組內VT1、VT3、VT5，共陽極組內VT4、VT6、VT2；②晶閘管門極觸發脈沖順序務必為VT1-VT6；③晶閘管觸發脈沖相位間隔60度。
2.帶電阻性負載情況分析前面講解完三相橋式全控整流電路搭建后，真正進入到電路工作原理、波形分析及定量計算部分。進一步完善上面仿真電路原理圖，將負載選擇為電阻性負載，并增加若干示波器觀察點，其中三相電源設置為幅值100V、頻率50Hz，電阻負載2Ω，仿真參數設置為仿真起始時間0.0s，結束時間0.1s，算法選擇ode23tb。帶電阻性負載情況下的教學重點為：①不同觸發角下的波形分析；②負載電流的連續與斷續分析；③晶閘管的單觸發脈沖與雙觸發脈沖形式。其中難點內容為連續與斷續狀態下的脈沖形式。首先通過仿真詳細講解30度觸發角時的波形情況，要求學生在給定電源條件下能夠正確理解觸發脈沖、直流負載電壓、直流負載電流、晶閘管承受電壓和交流電源電流的波形。講授過程中需要注意：①觸發角的觸發時刻，由于三相整流電路的自然換相點對應A相電壓波形的30度位置，因此30度觸發角情況下的晶閘管VT1觸發時刻為60度位置，換算成時間為0.0033s；②將整個電源周期分成6段，每段先確定6個晶閘管的導通與關斷狀態，再分析其他電量；③特別注意強調線電壓波形及波形畫法。然后，利用仿真教學的優勢進一步講解如上教學重點要求，如圖3所示為60度和90度觸發角下的晶閘管觸發脈沖情況和直流輸出電壓波形情況。圖中可以清楚的看到60度觸發角為負載電壓和電流連續與斷續的臨界點，90度觸發角時清楚的看到負載電流為斷續狀態，同時各個觸發脈沖為保證電流斷續下正常工作而變成雙觸發脈沖形式。為了讓學生能夠更深入的理解電阻性負載時的工作情況，在仿真教學過程中，可以采取更小的脈沖角度間隔對多個觸發角進行多次仿真，這樣更能深入理解隨著觸發角的增加，直流負載電壓不斷降低的過程。
3.帶阻感性負載情況分析當三相橋式全控整流電路帶阻感性負載工作時，其特點就是能保證負載電流續流而不出現斷續的狀態，因此該部分的教學重點為：①讓學生能夠清楚的理解整個移相范圍內負載電流總是連續的工作狀態；②由于電感的作用，負載電壓會出現負的部分；③大電感狀態下，負載電流近似為一條直線。圖4為觸發角為90度時三相橋式全控整流電路的波形情況，與圖3中觸發角為90度情況進行對比，可以清楚的看出阻感性負載時的直流負載電壓波形既有正向波形，又有負向波形，負載電流波形始終處于連續狀態，同時還可以通過仿真教學清楚的展示電感為5mH和200mH時的直流電流波形，其中5mH時電流波形脈動較大，而200mH時電流波形脈動較小，近似為一條直線，這也充分說明當電感值為200mH時，感抗相對于阻抗來說充分大。
4.仿真實驗任務：直流電機閉環調速系統完成如上規定的仿真教學任務后，可以給學生布置相應的仿真實驗任務，結合直流電機原理和閉環控制原理，安排直流電機閉環調速系統的仿真實驗，可以安排在實驗課中完成或課后自行完成。仿真實驗任務如下：（1）仿真參數設置：仿真起始時間0.0s，結束時間5s，算法選擇ode23tb。（2）系統要求跟蹤恒值速度給定500r/min。（3）轉速調節器設定為比例控制，要求分析不同負載轉矩、不同轉速比例調節下的電機電壓、電流和轉速波形。這里給出用于教學參考的系統仿真結構圖及電機電壓和電流波形，如圖5和圖6所示。由于直流電機為阻感性負載，因此通過仿真實驗可以更深入的認識阻感性負載下的三相橋式全控整流電路的工作過程，直流負載電壓即電機供電電壓有正負波形，直流負載電流即電機電樞電流為連續狀態且近似為一條直線，轉速波形由學生在仿真實驗中自行觀察。
篇6
1．2可再生能源的并網
美國專家提出了近海岸高壓直流輸電系統設計方案的可靠性分析方法，研究了平均失效時間和平均修復時間等可靠性指標，并結合概率（蒙特卡洛）技術來評估風速波動對風電場的影響，且評估不同的系統互聯、系統冗余以及使用直流斷路器與否等技術方案的能量削減水平，提議將能量削減作為量化直流電網可靠性的指標。為設計人員選擇不同的技術方案、拓撲結構和保護方案提供依據。近海岸直流輸電換流站選址缺乏相關的標準、項目參考及工程經驗，難以給項目相關者提供合理的建議，并且可能會在項目的開發過程中引入風險。挪威專家針對此情況提出了一種從石油和天然氣行業經驗總結得出的技術資格要求，將有助于更加快速、高效、可靠地部署海上高壓直流輸電系統。
1．3工程項目規劃、環境和監管
哥倫比亞和意大利專家提出了哥倫比亞與巴拿馬電氣互聯優化設計方案，初步設計方案額定容量為600MW／±450kV，經過綜合比較，方案優化為300MW／±250kV，400MW／±300kV的雙極結構，并使用金屬回線作為最佳的技術和經濟解決方案。線路長度由原來的600km變為480km，但考慮到哥倫比亞輸電系統的強度問題，決定保留原來的輸電路線。貝盧蒙蒂第一條800kV特高壓直流輸電線路項目規劃構想了額定參數為2×4GW／±800kV雙極結構，直流線路長2092km，連接巴西北部與南部的直流輸電工程方案；印尼第一條Java－Sumatra直流輸電工程，額定參數為3GW／±500kV，雙極結構，直流線路包含架空線和海底電纜，考慮采用每極雙十二脈動換流器和備用海底電纜來提高系統的可靠性和可用率；太平洋直流聯接紐帶介紹了延長太平洋北部換流站壽命的最佳方案，將原有的換流器變為傳統的雙極雙換流器結構，但保留多余的2個換流器閥廳，現以3．8GW／±560kV為額定參數運行。
1．4工程項目實施和運行經驗
新西蘭和德國專家提出“新西蘭直流工程新增極3的挑戰和解決方案”，該工程不僅要保證設備能承受較高的地震烈度，保障其在弱交流系統中安全穩定運行，還要設計合理的設備安裝地點，以及新建極與原有極的一體化控制保護系統；巴西互聯電力系統的Madeira河項目中SanAntonio發電廠對400MW的背靠背中第一個模塊及額定參數為3．15GW／±600kV雙極中的第一極進行充電，工程因交流系統沒有足夠的短路容量而延遲工期，后通過安裝500kV／230kV聯接變壓器得以解決。印度的Champa－Kurukshetra±800kV／3GW高壓直流工程首次在特高壓輸電工程中采用金屬回線返回方式運行，輸電線路長1035km，遠期增加容量3GW，雙極功率傳輸容量可達6GW；法國與西班牙東部互聯案例中采用雙回VSC－HVDC饋入交流網絡，研究認為VSC－HVDC是首選的技術解決方案。
2FACTS裝置及技術應用
2．1可再生能源并網
丹麥專家開發了多電平靜止同步補償器（STATCOM）通用電磁暫態模型，并基于倫敦Array風力發電廠多電平STATCOM現場測量和電磁暫態仿真結果對比研究進行了驗證，仿真結果與現場測量結果比較相符，并顯示出良好的相關性。
2．2提高交流系統的性能
加拿大專家提出了用于工程規劃的通用VSC模型，開發了基于PSS／E的穩態和動態模型。驗證了該模型部分交流側和直流側故障，結果表明具有良好的相關性，可在新的工程規劃和規范研究中應用。伊朗專家提出了分布式發電并網中基于自適應脈沖VSC的新型控制方法，與另外兩種控制方法相比，諧波補償和電能質量改善比較表明，分布式發電中諧波含量減少，從而減少諧波注入交流網絡。“智能電力線路（smartpowerline，SPL）實驗研究項目”引入了在架空輸電線路嵌入微型變電站的概念。電源交換模塊，保護模塊和在線監測系統可使輸電線路變得更智能，該技術還可以用于管理功率潮流和額外參數測量。
2．3FACTS工程項目規劃、環境和監管
印度專家進行了動態補償裝置在印度電力系統的配置及選址研究，以易受故障擾動影響的印度西部地區為重點研究區域，并提出了無功功率控制補償器的最佳位置和動態范圍。
3電力電子設備的技術發展
3．1直流斷路器、直流潮流控制器和故障電流限制裝置
Alstom進行了120kV直流斷路器的開發和測試研究，該斷路器包括電力電子元器件，超快速機械斷路器，串聯電容器和避雷器等重要組成部分，可在5．3ms內開斷電流。ABB提出混合型直流輸電工程斷路器為未來高壓直流系統的解決方案，描述了混合直流斷路器的詳細功能、控制方式和設計原則，混合斷路器的核心部件同樣為超快速機械斷路器。ABB的專家還提出了低損耗機械直流斷路器在高壓直流電網中的應用，其可替代混合直流斷路器，開斷參數最大為10kA／5ms。斷路器包含電磁制動器、并聯諧振電路，已完成一個額定參數為80kV的斷路器樣機，并成功通過了開斷目標電流的試驗。
篇7
1.3優化資源配置，保護社會環境能源資源在我國社會發展和生存中，起著十分重要的作用。雖然能源總量非常多，但是我國人口眾多，對能源的消耗也特別大，隨著常規的化石能源不斷開采和消耗，以及其帶來的環境污染、能源安全等問題，以可再生的清潔能源已經受到廣泛社會的廣泛的重視。電能也是屬于可再生的清潔能源，積極發展電力事業，通過應用先進的電力電子技術，建設安全可靠的智能電網，可以保證電能資源的大規模遠距離輸送，有效解決我國能源短缺的問題，優化能源資源的配置，保護社會環境。
2電力電子技術在智能電網中的應用
2.1柔流輸電技術的應用柔流輸電技術綜合里電力電子技術、現代微電子技術、通信技術以及控制技術，是實現清潔能源和新能源大規模并網的重要技術，可以快速靈活地控制交流輸電，提升電網輸送的能力。在我國智能電網中，特高壓輸電作為智能電網的重要基礎，所以智能電網的建設中，需要綜合考慮清潔能源和新能源的接入和隔離情況，而柔流輸電技術在這一方面能夠提供有效的技術幫助，因此也越來越受電力企業的關注和重視。通過將現代控制技術和柔流輸電技術進行融合，智能電網可以聯系和調節各種電力參數，降低線損，為電力系統輸送電能的安全與穩定提供了可靠的保障。
2.2智能開關技術的應用智能開關技術主要是通過對指定位置的電流與電壓執行閉合或者切斷。在智能電網中，應用智能開關技術，能夠有效保護過流和漏電問題，維護電力系統的安全穩定運行。同時，應用智能開關，還可以保證電器設備以及儀表儀器的不受嚴重損耗。隨著電力電子技術的不斷發展，開關設備也在朝著高性能方向發展。智能開關技術、微電子技術以及傳感技術等，可以有效保證電力系統的安全性，對智能電網的建設和發展起著越來越重要的作用。
2.3高壓直流輸電技術的應用在直流輸電系統中，只有輸電這一個環節是直流電，而在發電系統和用電系統中，采用的仍然是交流電。交流電在輸電線路的終端變為高壓直流電，然后送上直流輸電線路，直流點又通過輸電線路送到逆變器，將高壓直流電轉變為交流電。最后經過環流變壓器把電能輸送到交流系統中。高壓直流輸電技術的應用，具有十分明顯的優勢。首先，高壓直流輸電技術可以進行遠距離的電能輸送。其次，當系統發生故障，高壓輸電技術對電網所帶來的影響十分小。因此，高壓直流輸電技術對于長距離大功率的輸電特別適合。在智能電網中，通過應用高壓直流輸電技術，可以有效滿足智能電網的長距離和大功率的輸電要求，同時還有利于解決清潔能源的穩定性。
2.4高壓變頻技術的應用在智能電網的建設中，通過利用高壓變頻技術，可以有效地節約電能資源。對于用電量特別大的企業，高壓變頻技術不僅可以有效的節約企業用電消耗，減少污染污的排放，還能夠通過節能減排，降低企業的成產成本，提高企業的經濟效益。高壓變頻技術在智能電網中的應用，并結合其他先進的電子電力技術，能夠有效促進智能電網的發展。
篇8
1)調整優化教學內容，教師在授課前對教學內容要認真篩選，注意課程體系的前后銜接，理論夠用原則，降低理論的難度，以應用為主線，精心選擇N個教學項目。
2)根據學生的興趣特點和基礎，由學生自主選擇自己負責的項目，選擇同一項目的同學為一組，把全班同學分成N組。針對每個項目，教師輔導負責該項目的一組學生。
3)經教師培訓后的項目負責人指導其他同學完成該項目，教師監控各個項目的完成情況，及時解決項目負責人無法解決的問題，保證項目順利進行。實踐教學過程中，教師多采用啟發式進行指導，主要是多引導，多啟發，提出分析問題的方法，指出解決問題的途徑，讓學生通過獨立思考和小組合作，找出解決問題的具體方案，并在實踐中加以檢驗，提高學生分析問題和解決問題的能力。
4)為了保證“循環互輔”實踐教學方法順利進行，需要改革原有的課程考核評價方式，課程評價主體和評價內容應多元化，評價方式應多樣化，可構建“教師評價、學生自評、學生互評”相結合的評價機制。在學生考核評價中，應全面客觀地反映學生的真實情況，重點考核與評價學生的職業技能和職業素質，對學生的學習態度、學習能力、溝通與合作能力、創新精神等進行全面考察。堅持過程性評價和結果性評價相結合，過程性評價是在學生自主學習過程中對學生的學習態度、日常表現等各方面情況進行的評價，結果性評價是學生學習完成后對學生整體技能情況的評價。
1.2“循環互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的具體應用
下面從教學項目的選取和實踐教學過程的實施兩個方面探討“循環互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的具體應用。
1)隨著電力電子新器件的不斷涌現以及各種變流電路的不斷發展，電力電子技術課程的教學內容日益增長，在學時有限的情況下，以電力電子技術應用最廣泛的實際案例為載體，設計了以下六個項目作為教學內容：
(1)單相半波整流調光燈電路；
(2)單相橋式全控整流調光燈電路；
(3)單相交流調壓調光燈電路；
(4)同步電機勵磁電源電路；
(5)開關電源電路；
(6)中頻感應加熱電源電路。
2)根據學生的興趣特點和基礎，由學生自主選擇自己負責的項目，選擇同一項目的同學為一組，把全班同學分成6組。以單相半波整流調光燈電路為例，教師負責輔導選擇該項目的7-8個學生。再由這些學生負責指導班上其余同學完成該項目。教師監控各個項目的完成情況，及時糾正錯誤。
3)循環互輔實踐教學方法，不僅要求學生自己學會，還要教會別人。這就要求學生對自己選擇的項目需要進行大量的準備工作。教師利用大學城空間，建設電力電子技術空間資源課程，包括多媒體課件、參考教材、各種變換電路的仿真模型及仿真參數設置實例，實驗指導、各章習題及其學習指導等。學生進入教師空間后，可自主開展學習，通過發表評論在線分享學習心得，通過電力電子技術交流群組與教師、同學進行在線交流。“循環互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的應用實踐表明：
(1)實踐教學過程中，由于每位同學都得到了充分有效指導，因此故障率、儀器設備損壞率降低了。
(2)該方法最大限度地調動了學生學習的積極性和主動性，發展每一個學生的優勢潛能，有效培養了學生自主學習和分析問題解決問題的能力，取得了較好的教學效果。
篇9
筆者在電力電子技術課堂教學中可以直接在MATLAB/Simulink畫出三相半波可控整流電路，其實也就是搭建其仿真模型，其過程十分簡單，不需占用很多課堂教學時間，最重要的是這是一種新鮮事物，可吸引學生的注意力，增加他們的好奇心，間接地可以提高課堂教學質量。三相半波可控整流電路的仿真模型如圖3所示[4-6]。仿真結果如圖4所示，其中圖4(a)、(b)和(c)中的每個波形從上到下分別為觸發脈沖波形仿真波形、晶閘管電流仿真波形、晶閘管電壓仿真波形、輸入負載電壓和電流仿真波形。很容易看出，圖4中的各個仿真波形跟圖2所示的理論分析波形完全一致。在這個教學過程中可以得出以下結論：第一，將計算機仿真軟件引入課堂教學中達到了實驗的目的，在教學過程中直接對所學理論知識進行驗證，可以完全等同于在實驗室通過實驗方法驗證理論的正確性，從而節省了實驗資源。第二，將計算機仿真軟件引入課堂教學中，可以改變傳統的授課方式，改變“滿堂灌”的教學方式，更能吸引學生的注意力，激發他們的學習興趣，更重要的是在課后他們可以自己動手通過計算機仿真軟件對當天所學的知識進行驗證，其實這個過程就是學生學習和掌握所學課堂知識的過程，如果任課教師布置一些任務，學生就可以做到學以致用，達到培養人才的目的。
篇10
1目前教學中存在的問題
1.1教學內容陳舊
科技的發展導致電力電子相關技術更新較快，是很多高職院校的教材卻沒有跟上科技發展的腳步，甚至仍以半控型器件晶閘管為核心器件搭建電路，而事實上在工業中都使用的是功率MOSFET和IG-BT等全控型器件為主流器件，整個電路的結構都發生了重大的變化。此外，由于教學內容過于偏向本科，在教材中對電子電力器械的內部結構以及運行原理介紹較多，而高職學生更多的是需要對元器件的運用能力。由于電力電子電路的種類繁多，很多教材都難以將其進行系統的歸納，不同章節之間完全沒有銜接，這就導致學生在學習這些章節的時候難以對新的知識進行理解。教學內容的陳舊以及科學分類的缺乏使得學生很難成長為高素質高技能型應用人才。
1.2教學方法單一
電力電子技術中很多內容都是比較抽象的，如晶閘管整流及其逆變電路、交流調壓電路等，這些內容僅僅依靠傳統的口述加板書是無法加以展現的，如果學生理解能力有限，教師再怎么去努力也是徒勞的。雖然有的學校可能會進行多媒體的教學，但是學生對電力電子電路的實際構建過程和工作過程缺少形象直觀的了解，僅僅依靠教學是達不到這個要求的。學生想要掌握實際應用電力電子產品的能力，就必須進行工程實際體驗，而實踐教學恰恰是高職電力電子技術教學的薄弱之處。
1.3實踐環節薄弱
對于技術型人才來講，實踐教學的價值遠比理論教學來得重要。但是在相當多的高職院校中，電力電子技術教學都是以理論教學為主，實踐教學占的課時很少，可能學生能夠運用一些基礎的電力電子電路，但是真正要想對相關電氣元件進行靈活的運用，學生遠達不到這個要求。這就導致有的高職院校雖然具備了功能強大的實驗設備，但是卻沒有發揮應有的作用。當前電力電子產品的更迭比較快，而學校的實訓基地的資源又是有限的，因此高職院校更多的應該考慮的是加強校企合作，以此來增強學生的實踐能力。
2課程改革的探索和思考
2.1整合和更新教學內容
教學內容和課程體系的改革是教學改革的重難點，特別是在當前電子電力技術不斷發展的當下，教學內容的更新速度很難跟得上各種新型電力電子設備的推廣速度，因而當前高職電力電子技術教學對教師知識面的要求更高，需要教師不斷的整合和更新教學內容，做到與時俱進的教學。高職的目的是培養學生的能力，因此在教學的過程中一定要把握課程的核心，對于電子電力器件復雜的內部解構以及工作原理都可以一筆帶過，這些復雜的公式推導過程對高職學生來講，并沒有什么意義，而對于電子電器元件的參數特性以及使用方法都要詳細敘述，首先讓學生在理論上掌握電子電氣元件如何去使用。其次教學的內容要緊跟當前時代，自動化是當前工業發展的主流，在介紹這些電力電子元器件時應該選用能夠代表當前實際應用水平的電路，如功率MOSFET、IGBT及其智能功率模塊IPM進行講述，這樣才不至于讓學生畢業后產生與社會脫節的現象。
2.2改革教學方法和手段
傳統的本科式的講授方法，對高職學生來講并沒有太大的作用，很少有學生能夠憑借自己的能力來分析電力電子電路及其系統結構，因為三相交流電所帶來的電路輸出波形異常復雜，講述如何去手動計算也沒有太大的意義。而如果能夠使用現代計算機仿真技術來進行電力電子電路的分析，則可以在短時間內就幫助學生理解整個知識架構，可以作為高職電力電子技術教學的重要手段。高職電力電子技術的仿真教學可以參見本科院校的課程，本科院校很多都是使用的基于MATLAB軟件的電力電子電路仿真，從實踐效果來看也相當的理想，因而不妨借鑒本科院校的教學方法和手段，讓學生利用仿真電路來理解整個電子電路的架構和運行規律，或許能夠在幫助學生理解的同時增強學生的學習興趣。在技能培養上要采用層次化的方式，首先讓學生通過基礎實驗來了解電子元器件的基本原理，然后利用綜合實踐來掌握電子電氣電路的各部分電路功能和特征，再用綜合實訓來進一步加強學生的技能鍛煉，能夠獨立完成電路的分析、制作、焊接和調試工作，最后使用現場教學來落實學生的實踐能力，提前適應工作崗位的需求。
2.3擴充和創新實踐環節
電力電子技術對于實踐能力的要求較高，針對當前高職電力電子技術教學缺乏實踐環節的情況，必須有效擴充和創新實踐環節，利用實踐來讓學生所學到的理論知識得到驗證，從而對電子電路知識有更深的了解。當前很多院校在電力電子技術實踐環節上都只安排了基本的實驗，對于高職學生來講這些實驗都過于簡單，既沒有起到提高學生相關能力的作用，又沒有充分發揮現有實驗設備的功能。高職院校可以保留基本的電力電子電路驗證性實驗，但是更多的是要基于現有的教學實驗設備來開發設計綜合性的設計實驗項目，以此來增強學生對于電子電路的綜合運用能力，在實踐中鞏固自身的知識，發展實際動手能力。而對于創新實踐環節的考核上，高職電力電子技術教學也存在諸多的弊端，考核大多基于卷面分數，考核的結果也凸顯不了學生的實際操作能力，這就很可能出現動手操作能力強的學生沒有較好的卷面分數，而動手能力不強的學生依靠死記硬背卻能夠通過考核。在實踐階段的考核要根據學生的學習態度、作業情況、實踐報告、實踐操作考試等多方面來綜合評定，這樣才能夠客觀地評價學生的成績，確保每個經過創新實踐環節的學生都能夠有良好的動手操作能力。而在電子電氣技術不斷更新的當下，僅僅依靠學校的實踐基地是無法滿足教學的需求的，學校應該加強與校外企業的聯合建設，在教學過程中可以聘請校外企業的專業人員到課堂來講授電氣元件的操作和運行。也可以讓學生到企業中去親手實踐和見證電力電子裝置的運行情況，從而加深學生對課程的理解和印象。而對于表現優異的學生可以直接選擇進入企業就業，無意進入企業就業的學生也擁有了較強的動手操作能力，有工作的資本。
3結語
當前我國的電子電力行業正處在飛速的發展中，需要大量的高素質技術性人才。雖然高職教學的目的就是為人力市場提供技術型人才，但是很多高職的電力電子技術教學都存在理論與現實脫節的情況，導致畢業的學生不能馬上適應工作條件。對此高職院校有必要更新電力電子技術教學的內容，豐富教學方法，創新實踐教學環節，從而讓學生從書本上學習到的理論知識能夠實際運用于生產之中。
作者:陳杰金 霍覽宇 單位:湖南機電職業技術學院
參考文獻：
篇11
電力電子技術是一個以功率半導體器件、電路技術、計算機技術、現代控制技術為支撐的技術平臺。經過50年的發展歷程，它在傳統產業設備發行、電能質量控制、新能源開發和民用產品等方面得到了越來越廣泛的應用。最成功地應用于電力系統的大功率電力電子技術是直流輸電(HVDC)。自20世紀80年代，柔流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術在電力系統中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現。本文介紹了電力電子技術在發電環節中、輸電環節中、在配電環節中的應用和節能環節的運用。
二、電力電子技術的應用
自20世紀80年代，柔流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術在電力系統中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現。已有不少文獻介紹和總結了相關設備的基本原理和應用現狀。以下按照電力系統的發電、輸電和配電以及節電環節，列舉電力電子技術的應用研究和現狀。
(一)在發電環節中的應用
電力系統的發電環節涉及發電機組的多種設備，電力電子技術的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。
1大型發電機的靜止勵磁控制
靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式，具有結構簡單、可靠性高及造價低等優點，被世界各大電力系統廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環節，因而具有其特有的快速性調節，給先進的控制規律提供了充分發揮作用并產生良好控制效果的有利條件。
2水力、風力發電機的變速恒頻勵磁
水力發電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當水頭的變化幅度較大時(尤其是抽水蓄能機組)，機組的最佳轉速便隨之發生變化。風力發電的有效功率與風速的三次方成正比，風車捕捉最大風能的轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過調整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。
3發電廠風機水泵的變頻調速
發電廠的廠用電率平均為8％，風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65％，且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實施風機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟，國內外有眾多的生產廠家，并不完整的系列產品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產能力的企業不多，國內有不少院校和企業正抓緊聯合開發。
(二)在輸電環節中的應用
電力電子器件應用于高壓輸電系統被稱為“硅片引起的第”，大幅度改善了電力網的穩定運行特性。
1直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDCLight)技術
直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯網，高壓直流輸電擁有獨特的優勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器，標志著電力電子技術正式應用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。
2柔流輸電(FACTS)技術
FACTS技術的概念問世干20世紀80年代后期，是一項基于電力電子技術與現代控制技術對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調節的輸電技術，可實現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統的穩定水平。
20世紀90年代以來，國外在研究開發的基礎上開始將FACTS技術用于實際電力系統工程。其輸出無功的大小，設備結構簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應用。
(三)在配電環節中的應用
配電系統迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態的波動和干擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用，即用戶電力(customPower)技術或稱DFACTS技術，是在FACTS各項成熟技術的基礎上發展起來的電能質量控制新技術。可以將DFACTS設備理解為FACTS設備的縮小版，其原理、結構均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場介入相對容易，開發投入和生產成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預期DFACTS設備產品將進入快速發展期。
(四)在節能環節的運用
1變負荷電動機調速運行
電動機本身挖掘節電潛力只是節電的一個方面，通過變負荷電動機的調速技術節電又是另一個方面，只有將二者結合起來，電動機節電方較完善。目前，交流調速在冶金、礦山等部門及社會生活中得到了廣泛的應用。首先是風機、泵類等變負荷機械中采用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量和水流量具有顯著的效果。國外變負荷的風機、水泵大多采用了交流調速，我國正在推廣應用中。
變頻調速的優點是調速范圍廣，精度高，效率高，能實現連續無級調速。在調速過程中轉差損耗小，定子、轉子的銅耗也不大，節電率一般可達30％左右。其缺點主要為：成本高，產生高次諧波污染電網。
2減少無功損耗，提高功率因數
篇12
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
篇13
1.電力電子技術的發展
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統“整流行業”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。
現代電力電子技術是開關電源技術發展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現,現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良的開關電源。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
參考文獻
(l)林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992
(2)季幼章:迎接知識經濟時代,發展電源技術應用,電源技術應用,N0.2,l998
