現代電力電(diàn)子及電源五🚩月情天㊙️技(ji)術的發展
發(fā)布時間：2025-12-10 浏覽(lǎn)數：
本文闡述(shù)了現代電力(li)電子技術的(de)發展過程,對(duì)電🌈力電子🧑🏾🤝🧑🏼技(ji)💞術的應用領(ling)域進行了描(miáo)述,論述了 現(xian)代☎️電源技術(shu)❌的發展趨勢(shi)。
現代電源技(ji)術是應用電(dian)力電子半導(dao)體器件,綜合(he)自動🎯控制、計(ji)算機(微處理(li)器)技術和電(diàn)磁技術的多(duō)學科邊緣交(jiāo)叉技術。在各(ge)💚種高質量、高(gao)效、高可靠性(xing)的電源中起(qi)關鍵作用,是(shi)現代電力電(diàn)♊子技術的具(jù) 體應用。
當前(qián),電力電子作(zuò)爲節能、節才(cai)、自動化、智能(neng)化、機電一體(ti)化的基礎,正(zhèng)朝着應用技(ji)術高頻化、硬(yìng)件結構模塊(kuai)化、産品性能(neng)綠🐇色化的方(fang)向發展。在不(bu)遠的将來,電(diàn)力電子技術(shù)将使電源技(jì)💞術更加成熟(shu)、經 濟、實🤩用,實(shí)現高效率和(hé)高品質用電(diàn)相結合。
1. 電力(lì)電子技術的(de)發展
現代電(diàn)力電子技術(shu)的發展方向(xiàng),是從以低頻(pín)技術處理問(wen)題爲主的傳(chuán)統電力電子(zǐ)學,向以高頻(pín)技術處理問(wen)題爲主的現(xian)代電🚶♀️力電子(zǐ)學方向轉變(biàn)。電力㊙️電子技(jì)🌂術起始于五(wǔ)十年代末六(liu)十年代初的(de)矽整流器件(jian),其發展先後(hou)📱經曆了整⛹🏻♀️流(liú)器時代、逆變(biàn)器時代和變(biàn)頻器時代,并(bìng)促進了電力(li)電子技術在(zài)許多新領域(yu)的應用。八十(shi)年代末期和(hé)九十年代初(chu)期發展起來(lai)的、以功率🐪MOSFET和(hé)IGBT爲代表的、集(jí)高🧑🏾🤝🧑🏼頻、高壓和(he)大電流于一(yi)身的功率半(bàn)導體複合器(qi)件,表明傳統(tǒng)電力🌂電子技(ji)術已經進入(rù)現代電力電(diàn)子時代。
1.1 整流(liú)器時代
大功(gong)率的工業用(yòng)電由工頻(50Hz)交(jiao)流發電機提(tí)供,但是大約(yuē)20%的電👨❤️👨能是以(yi)直流形式消(xiao)費的,其中最(zui)典型的是電(dian)解(有色金屬(shǔ)和化工原料(liào)需要直流電(dian)解)、牽引(電氣(qì)機車、電傳🧑🏽🤝🧑🏻動(dong)的内燃機車(chē)、地鐵機車、城(cheng)市無軌電車(chē)等)和直流傳(chuan)動(軋鋼、造紙(zhi)等)三大領域(yù)。大功率矽整(zheng)流器能夠高(gao)效率地把工(gōng)頻交流電轉(zhuan)變爲直流電(diàn),因此在六✍️十(shí)年代和七十(shi)年代,大功率(lǜ)矽🍉整流管和(hé)晶閘管的開(kāi)🌏發與應用得(dé)以很大發展(zhǎn)。當時國内曾(céng)經掀起了一(yi)股㊙️各地大辦(ban)矽整流👌器廠(chang)的熱潮,目前(qian)全國大大小(xiao)小的制造矽(xī)整流器的半(ban)導👈體廠♍家就(jiù)是那時的産(chan)物。
1.2 逆變器時(shi)代
七十年代(dài)出現了世界(jie)範圍的能源(yuan)危機,交流電(dian)機變頻🧡調速(sù)因✊節能效果(guǒ)顯著而迅速(sù)發展。變頻調(diào)速的關鍵技(ji)術是将直流(liu)電逆變爲0~100Hz的(de)交流電。在七(qī)十年代到八(bā)十年代,随着(zhe)變頻調速裝(zhuāng)置的普及,大(dà)功率逆變用(yong)的晶閘管、巨(jù)型功率晶體(ti)管(GTR)和門極可(kě)關斷晶閘管(guan)(GT0)成爲當時電(diàn)力電子器件(jian)的主角。類似(si)的應用還包(bao)括高壓直流(liu)輸出,靜止式(shi)無功功率動(dòng)态補償等。這(zhè)時的電力電(diàn)子技術已經(jing)能夠實現整(zheng)流😘和💯逆變,但(dàn)工作頻率較(jiao)低,僅局限在(zai)中低頻範圍(wei)内。
進入八十(shi)年代,大規模(mo)和超大規模(mo)集成電路技(ji)術的🆚迅猛發(fa)展,爲現代電(dian)力電子技術(shu)的發展奠定(ding)了基礎🙇🏻。将集(jí)成電路技術(shu)的精細加工(gong)技術和高壓(yā)大電流技術(shu)有機📞結合,出(chū)現了一批全(quan)新的全控型(xíng)功率器件、首(shou)先是功率M0SFET的(de)問世,導緻了(le)中小功率電(dian)源向高頻化(huà)發展,而後絕(jué)緣門極雙極(jí)晶體管(IGBT)的出(chu)現,又爲大中(zhōng)型功率電源(yuan)向高頻發展(zhǎn)帶來機遇。MOSFET和(he)IGBT的相繼問世(shì)💰,是傳統的電(dian)力電子向現(xian)代電力電子(zi)轉化㊙️的标志(zhi)。據統計,到1995年(nián)底,功率M0SFET和GTR在(zai)功💛率半導體(tǐ)器件市場上(shàng)♋已達到平分(fen)秋色的地步(bù),而用IGBT代替GTR在(zài)電力電子領(lǐng)域巳成定論(lun)。新型器件的(de)發展不僅爲(wei)交流電機變(bian)頻調速提供(gong)了較高的頻(pin)率,使其性能(néng)更加完善可(ke)靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻(pín)化發展,爲用(yòng)電設備的高(gao)效節材節👨❤️👨能(neng),實現🆚小型輕(qīng)量化,機電一(yi)體化和智能(neng)化提供了重(zhòng)要的技術基(ji)🌐礎。
2. 現代電力(lì)電子的應用(yong)領域
2.1 計算機(jī)高效率綠色(sè)電源
高速發(fa)展的計算機(jī)技術帶領人(rén)類進入了信(xìn)息社🐆會,同時(shi)💁也🐪促進了電(dian)源技術的迅(xun)速發展。八十(shi)年代,計算機(ji)全面采用了(le)開關電源,率(lü)先完成計算(suan)機電源換代(dai)⛱️。接着開關電(dian)源🌈技術相✔️繼(jì)進人了電子(zǐ)、電器設備領(lǐng)域。
計算機技(ji)術的發展,提(ti)出綠色電腦(nǎo)和綠色電源(yuan)。綠色電腦泛(fàn)指對環境無(wu)害的個人電(dian)腦和相關産(chan)品，綠色電源(yuán)系指與綠色(se)電腦相關的(de)高效省電電(dian)源,根據美國(guo)環境保護署(shǔ)l992年12月10日“能源(yuan)之🆚星"計劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或🙇♀️相(xiang)關的外圍設(she)備,在睡眠狀(zhuang)态下的耗電(dian)量若小于30瓦(wǎ),就符合綠色(se)電腦的要求(qiú),提高電源效(xiào)率是降低電(diàn)源消耗👌的根(gen)本途徑。就目(mu)前效率爲75%的(de)🚶200瓦開關電源(yuan)而言,電源自(zi)身要消耗50瓦(wa)的能㊙️源。
2.2 通信(xin)用高頻開關(guān)電源
通信業(ye)的迅速發展(zhǎn)極大的推動(dong)了通信電源(yuán)的發展💔。高頻(pin)小🍓型化的開(kāi)關電源及其(qí)技術已成爲(wèi)現代通信供(gòng)電系統的主(zhu)流。在通信領(ling)域中,通常将(jiang)整流器稱爲(wei)♋一次電源,而(ér)将😘直流-直流(liú)(DC/DC)變換器稱爲(wèi)二次♻️電源。一(yi)次電源的作(zuo)用是将單相(xiàng)或三相📧交流(liú)電網💛變換成(chéng)标稱值爲48V的(de)直流電源。目(mu)前在程控交(jiao)換機用的一(yi)次電源中,傳(chuán)統的相控式(shì)穩壓電源己(jǐ)被高頻開關(guan)電源取代,高(gāo)頻開🛀🏻關電源(yuan)(也稱爲開關(guān)型整🏃🏻流✔️器SMR)通(tōng)過MOSFET或IGBT的高頻(pín)🆚工作,開關頻(pin)率一般控制(zhi)在50-100kHz範🔆圍内,實(shí)現高效率和(hé)小型化。近幾(jǐ)年,開關整流(liú)🏃🏻器的功率容(rong)量不斷擴大(da),單機容量己(ji)從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
通(tōng)信電源的二(èr)次電源DC/DC變換(huàn)器已商品化(huà),模塊采用高(gāo)頻⛷️PWM技💯術,開關(guān)頻率在500kHz左右(yòu),功率密度爲(wèi)5W~20W/in3。随着大規模(mó)集♌成電路的(de)發展㊙️,要求👅電(dian)源模塊實現(xian)小型化,因此(cǐ)就要🧡不斷提(ti)高開關頻率(lü)和采用新的(de)電路拓撲結(jie)構,目前已有(yǒu)一些公司研(yán)制💋生産了采(cǎi)用零電流🈲開(kāi)關和零電壓(ya)開關技術的(de)二次電源模(mó)塊,功率密度(du)有較大幅度(dù)的提高。
不間(jiān)斷電源(UPS)是計(ji)算機、通信系(xi)統以及要求(qiu)提供不能中(zhōng)斷場🤟合所必(bì)須的一種高(gāo)可靠、高性能(néng)的電源。交流(liú)市電🛀輸入經(jīng)整流器🏃變成(chéng)直流,一部分(fèn)能量給蓄電(dian)池組充電🔱,另(ling)一部分能量(liang)經逆變器變(bian)成交流,經轉(zhuan)換開關送到(dao)負載。爲了在(zai)逆變器故障(zhang)時仍能📐向負(fu)載提供能量(liàng),另一路備用(yong)電源通過電(diàn)源轉換開關(guān)來實現。
現代(dai)UPS普遍了采用(yong)脈寬調制技(jì)術和功率M0SFET、IGBT等(děng)現代電力電(dian)🥰子器件,電源(yuán)的噪聲得以(yi)降低,而效率(lü)和可靠性得(de)以提高。微處(chù)理⛹🏻♀️器軟硬件(jian)技術的引入(rù),可以實現對(dui)UPS的智能化管(guǎn)理,進行遠程(cheng)🥰維護和🌈遠程(chéng)診斷。
目前在(zài)線式UPS的最大(da)容量已可作(zuò)到600kVA。超小型UPS發(fā)展也♍很迅速(sù)㊙️,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多(duō)種規格的産(chan)品。
2.5 變頻器電(dian)源
變頻器電(diàn)源主要用于(yu)交流電機的(de)變頻調速,其(qi)在電氣傳🎯動(dòng)系統中占據(jù)的地位日趨(qu)重要,已獲得(dé)巨大的節能(néng)效果。變頻📞器(qì)電源主電路(lu)均采用交流(liu)-直流-交流方(fāng)案。工頻電源(yuán)通過整😘流器(qi)變成固定的(de)直流電壓,然(rán)後由大功🔴率(lǜ)晶體管或IGBT組(zu)成的PWM高頻變(biàn)換🔞器, 将直流(liú)電🏃🏻壓逆變成(chéng)電壓、頻率可(kě)變的交流輸(shu)出,電源輸出(chū)波🍉形近似于(yu)正弦波,用于(yu)驅動交流異(yì)步電動機實(shí)✏️現無級調速(sù)。
國際上400kVA以下(xia)的變頻器電(dian)源系列産品(pǐn)已經問世。八(bā)十年代📞初期(qī)🔆,日本東芝公(gōng)司最先将交(jiāo)流變頻調速(sù)🐪技術應用于(yú)空調器中。至(zhì)1997年,其占有率(lǜ)已達到日本(ben)家用空調的(de)70%以🏒上。變頻💛空(kong)調具🔅有舒适(shì)✉️、節能等優點(dian)。國内于90年代(dai)初期開始研(yán)究變頻空調(diao),96年引進生産(chan)線生産變頻(pín)空調器,逐漸(jiàn)形成變頻空(kōng)調開發生産(chǎn)熱點。預計到(dào)2000年左右将形(xíng)成高潮。變頻(pin)空調除了變(biàn)頻電源外🍓,還(hái)要求有适合(hé)于變頻調㊙️速(sù)的壓縮機電(diàn)機。優化控制(zhi)策略,精選功(gong)能組件,是空(kong)調變頻電源(yuán)研制的進一(yi)步發展方向(xiàng)。
2.6 高頻逆變式(shì)整流焊機電(diàn)源
高頻逆變(biàn)式整流焊機(ji)電源是一種(zhong)高性能、高效(xiào)、省材的新型(xing)焊機電源,代(dài)表了當今焊(han)機電源的發(fa)展方向。由于(yu)IGBT大容量模塊(kuai)的商用化,這(zhè)種電源更有(yǒu)着廣闊的應(yīng)用前景。
逆變(bian)焊機電源大(da)都采用交流(liú)-直流-交流-直(zhi)流(AC-DC-AC-DC)變換的方(fāng)法。50Hz交流🍓電經(jing)全橋整流變(bian)成直流,IGBT組成(chéng)的PWM高頻變換(huan)部分☀️将直流(liú)電逆變🔞成20kHz的(de)高頻矩形波(bō),經高頻變壓(ya)器耦合, 整流(liú)濾波後成爲(wei)穩定的直流(liú),供電弧🚶♀️使用(yòng)。
由于焊機電(diàn)源的工作條(tiao)件惡劣,頻繁(fán)的處于短路(lu)、燃弧、開路交(jiāo)替變化之中(zhōng),因此高頻逆(ni)變式整流焊(hàn)機電源的🥰工(gong)作可靠性問(wèn)題成爲最關(guān)鍵的問題,也(ye)是用戶最關(guan)心🥵的問題。采(cai)用微處理器(qì)做爲脈沖寬(kuan)度調制(PWM)的相(xiàng)關控制器,通(tong)過對多參數(shu)、多信息的提(tí)取與分析,達(dá)‼️到預知系統(tǒng)各種工作狀(zhuàng)态的目的,進(jin)而提前對系(xi)統做出調整(zheng)和處理,解決(jué)了目前大功(gōng)率IGBT逆變電源(yuán)可靠性。
國外(wai)逆變焊機已(yǐ)可做到額定(ding)焊接電流300A,負(fu)載持續率60%,全(quán)載電壓60~75V,電流(liu)調節範圍5~300A,重(zhong)量29kg。
大功(gōng)率開關型高(gāo)壓直流電源(yuan)廣泛應用于(yú)靜電除塵、水(shui)質改良、醫用(yòng)X光機和CT機等(deng)大型設備。電(diàn)壓高達❌50~l59kV,電流(liú)達到0.5A以上,功(gōng)率可達100kW。
自從(cong)70年代開始,日(rì)本的一些公(gong)司開始采用(yòng)逆變技術,将(jiang)⛱️市電整流後(hou)逆變爲3kHz左右(you)的中頻,然後(hòu)升壓。進入80年(nián)代,高頻開關(guan)電源技💃術迅(xun)速發展。德國(guó)西門子公司(si)采用功率晶(jīng)體管做主開(kāi)關元件,将電(diàn)源的開關頻(pín)率提高到20kHz以(yi)上💚。并将幹式(shi)變壓器技術(shù)成功的應用(yòng)于高頻高壓(yā)電源,取消了(le)高壓變壓器(qì)油箱,使♋變壓(yā)器系統⭐的體(tǐ)積進一步減(jiǎn)小。
國内對靜(jìng)電除塵高壓(ya)直流電源進(jin)行了研制,市(shì)電經整流變(biàn)爲直流,采用(yòng)全橋零電流(liú)開關串聯諧(xié)振逆變電路(lu)将直流電壓(ya)逆變爲高頻(pín)電壓,然後由(yóu)高頻變壓器(qì)升壓,最後整(zhěng)流爲直流高(gāo)壓🐅。在電阻負(fù)載條件下,輸(shu)出直流電壓(ya)達到55kV,電流達(dá)到15mA,工㊙️作頻率(lǜ)爲25.6kHz。
2.8 電力有源(yuan)濾波器
傳統(tong)的交流-直流(liu)(AC-DC)變換器在投(tou)運時,将向電(dian)網注入大量(liàng)的諧波電流(liu),引起諧波損(sǔn)耗和幹擾,同(tóng)時還出現裝(zhuang)置網側功率(lü)因🏃數惡🚶♀️化的(de)現象,即所謂(wei)“電力公害”,例(lì)如,不可控整(zheng)流加電容濾(lǜ)❗波時,網側三(sān)次諧波含量(liang)可達(70~80)%,網側功(gong)率因數僅有(yǒu)0.5~0.6。
電力有源濾(lü)波器是一種(zhǒng)能夠動态抑(yì)制諧波的新(xīn)型🏃♂️電力電子(zǐ)裝置,能克服(fu)傳統LC濾波器(qi)的不足,是一(yi)種很🚶有發展(zhǎn)前途的💔諧波(bo)抑制手段。濾(lǜ)波器由橋式(shi)開關功率變(bian)換器和具體(ti)控制電路構(gou)成。與傳統開(kai)關電源的區(qū)别是:(l)不僅反(fǎn)饋輸出電壓(yā),還反饋輸入(rù)平均電流; (2)電(dian)流環基準信(xìn)号爲電壓環(huan)🐕誤差信号與(yu)全波整流電(dian)壓取樣信号(hào)之乘積。
