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本文(wén)闡述了現代電力(lì)電子技術的發展(zhan)過程,對電🐉力電子(zi)技術🈲的應用領域(yu)進行了描述,論述(shu)了 現代✍️電源技術(shu)的發展趨勢。
現代(dài)電源技術是應用(yong)電力電子半導體(tǐ)器件,綜合自動控(kong)制、計🚶♀️算機(微處理(li)器)技術和電磁技(jì)術的多學科邊緣(yuán)交叉技術。在各種(zhǒng)高質量、高效、高可(kě)靠性的電源中起(qǐ)關鍵作用,是現代(dài)電力電子技術的(de)具 體應用。
當前,電(dian)力電子作爲節能(neng)、節才、自動化、智能(néng)化、機電🙇🏻一🌈體化的(de)基礎,正朝着應用(yong)技術高頻化、硬件(jiàn)結構模塊化、産品(pin)性能綠色化的方(fang)向發展。在不遠的(de)将來,電力💔電子技(jì)術将使電源技術(shù)更加成熟、經 濟、實(shi)用,實現高效率和(he)高品質用電相結(jie)合。
1. 電力電子技術(shu)的發展
現代電力(lì)電子技術的發展(zhǎn)方向,是從以低頻(pin)技術處理📐問題爲(wei)主的傳統電力電(dian)子學,向以高頻技(jì)術處理問題爲主(zhǔ)的現🚩代電力電子(zi)學方向轉變。電力(lì)🔴電子技術起始于(yu)五十年代末六十(shi)年代初的矽整流(liú)器件,其💚發展先後(hòu)經曆了整流器時(shí)代、逆變器時👅代和(hé)變頻器時代,并促(cu)進🐪了電力電子技(ji)術在許多新領域(yù)的應用。八十年代(dài)末期和九十年代(dai)初期發展起來的(de)、以功率MOSFET和IGBT爲代🏃🏻♂️表(biǎo)的、集高頻、高壓和(he)大電流于一身的(de)功率半🥰導體複合(he)器件,表💋明傳統電(diàn)力電子技術已經(jīng)進入現代電力電(dian)子時代。
大功率的工業(ye)用電由工頻(50Hz)交流(liú)發電機提供,但是(shi)大約💜20%的電能是以(yi)直流形式消費的(de),其中最典型的是(shì)電解(有色金屬和(hé)化工原料需要直(zhí)流電解)、牽引🌐(電氣(qi)機車、電傳⛹🏻♀️動的内(nei)✉️燃機車、地鐵機車(chē)、城市無軌♻️電車等(děng))和直流傳動🔞(軋鋼(gang)、造紙等)三大領域(yù)。大功率🏃🏻矽整流器(qì)能夠高效率地把(ba)工頻交流📐電轉變(biàn)爲直流電,因此在(zài)💋六十年代和七十(shí)年代,大功率矽整(zheng)流管和晶閘管的(de)開✔️發與應用得以(yi)很大發展。當時國(guo)内曾經掀起了一(yī)股各地大辦矽整(zhěng)流器♍廠的熱潮,目(mù)前全國大大小小(xiǎo)的制造矽整流器(qì)的半導🚶體廠家就(jiu)是那時的産物。
1.2 逆(ni)變器時代
七十年(nian)代出現了世界範(fàn)圍的能源危機,交(jiāo)流電機變頻📐調速(su)因節能效果顯著(zhe)而迅速發展。變頻(pín)調速🐆的關鍵技術(shù)是将直🈲流電逆變(biàn)爲0~100Hz的交流電。在七(qī)十年代到八十年(nian)代,随着變頻調速(sù)裝置的普及,大功(gōng)率逆變用的晶閘(zhá)管、巨型功率晶體(ti)管(GTR)和🏃🏻門極可關💋斷(duàn)晶閘管(GT0)成爲當時(shí)電力電子器件的(de)主角。類似的應用(yong)還包括高壓直流(liu)輸出,靜👄止式無功(gong)功率動态補償等(deng)。這時的電🈲力電子(zǐ)技術已經能夠實(shí)現整流和逆變,但(dan)工作頻率較低,僅(jin)局限在中低頻範(fan)圍内。
1.3 變頻器時代(dài)
進入八十年代,大(da)規模和超大規模(mo)集成電路技術的(de)迅㊙️猛發展,爲現代(dai)電力電子技術的(de)發展奠定了基礎(chu)。将集成電路技🔞術(shù)的❤️精細加工技術(shù)和高壓大電流技(jì)術有機結合,出現(xian)了一批全新的全(quán)控型功率器件、首(shou)先是功率M0SFET的問世(shì),導緻了中小功率(lǜ)電源向高頻化發(fā)展,而後絕緣門極(ji)雙極晶體管(IGBT)的出(chu)現,又爲大中型✂️功(gong)率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的(de)相繼問世,是傳統(tǒng)✔️的電力電子向現(xian)代電力電子轉化(huà)的标志。據統計,到(dao)1995年底,功率M0SFET和GTR在功(gong)率半導體器件市(shì)場上已達到平分(fèn)秋色的地步,而用(yòng)IGBT代替GTR在電力電子(zǐ)領域巳成定論。新(xin)型器件的發展🔞不(bu)僅爲交流電機變(biàn)頻調速提供了較(jiao)高的頻率,使其性(xing)能更加完善可靠(kào),而且使現代電子(zi)技術不斷向高頻(pin)化發展,爲用電設(shè)備的高效節材節(jiē)能,實現小型輕量(liàng)🐕化,機電一體化和(he)智能化提供了重(zhong)要的技術基礎🌈。
2. 現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領域
2.1 計算機高(gāo)效率綠色電源
通信業的迅(xùn)速發展極大的推(tuī)動了通信電源的(de)發展。高頻小型化(hua)的開關電源及其(qí)技術已成爲現代(dai)通信供電系統的(de)主流。在通信領域(yù)中,通常将整流器(qi)稱爲一次電源,而(er)将直流-直流(DC/DC)變換(huàn)器稱爲二次電源(yuán)。一次電源的作💋用(yòng)是将單相或三相(xiang)交流電網⭐變換成(cheng)标稱值爲48V的直流(liu)電源。目前在程控(kong)交換機用的一次(ci)電🏒源中,傳統的相(xiàng)控式穩壓電源己(ji)被高頻開關電源(yuan)取代,高頻開關電(dian)源(也稱爲開關型(xíng)整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的(de)高頻✌️工作,開關頻(pin)率一般控制在50-100kHz範(fàn)⁉️圍内,實現高效率(lǜ)和小型化。近幾年(nian),開關整流⭕器的功(gōng)率容量不斷擴大(dà),單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
2.3 直流-直流(DC/DC)變(biàn)換器
DC/DC變換器将一(yi)個固定的直流電(dian)壓變換爲可變的(de)直流電壓,這種技(jì)術被廣泛應用于(yú)無軌電車、地鐵列(liè)車、電動車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得(de)加速平穩、快速響(xiǎng)應的性能,并同時(shi)收到節約電⭐能的(de)效果。用直流斬🍓波(bo)器代替變阻器可(ke)節約電能(20~30)%。直流斬(zhǎn)波器㊙️不僅能起調(diào)壓的作用(開關電(diàn)源), 同時還能起到(dao)有效🌈地抑制電網(wǎng)側🈚諧波電流噪聲(sheng)的作用。
通信電源(yuán)的二次電源DC/DC變換(huàn)器已商品化,模塊(kuai)采用高頻PWM技術,開(kai)關頻率在500kHz左右,功(gong)率密度爲5W~20W/in3。随着大(dà)規🏃🏻♂️模集🔞成電路的(de)發展,要求電源模(mó)塊實現小型化,因(yīn)此就要⚽不斷提📐高(gao)開關頻率和采用(yong)新的電路拓撲結(jie)構,目前已有一些(xie)公司研制生産了(le)采用零電流開關(guān)和零電壓開關技(ji)術的二次電源🌐模(mo)塊,功率密度有較(jiao)大幅度的提高。
2.4 不(bu)間斷電源(UPS)
不間斷(duàn)電源(UPS)是計算機、通(tōng)信系統以及要求(qiu)提供不能🏃中斷場(chang)合所必須的一種(zhǒng)高可靠、高性能的(de)電源。交流市電📞輸(shu)入經整流器變成(cheng)直流,一部分能量(liàng)給蓄電池組充電(dian),另一部💚分能量經(jing)逆變📧器變成交流(liú),經轉換開關送到(dào)負載。爲了在逆變(bian)器故☎️障時仍能㊙️向(xiàng)負載提供能量,另(lìng)一路備用電源通(tōng)過電源轉換開關(guan)來實現🙇🏻。
現代UPS普遍(biàn)了采用脈寬調制(zhì)技術和功率M0SFET、IGBT等現(xian)代電力電子器件(jian),電源的噪聲得以(yi)降低,而效率和可(ke)靠性得以提高。微(wēi)處理器軟硬件技(ji)術的引入,可以實(shi)🌈現對UPS的智能化管(guǎn)理,進行遠程維護(hu)和🈲遠程診斷。
目前(qian)在線式UPS的最大容(róng)量已可作到600kVA。超小(xiao)型UPS發展也很迅速(sù),已⭐經🔴有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的産品。
2.5 變頻器(qi)電源
變頻器電源(yuán)主要用于交流電(diàn)機的變頻調速,其(qi)在電♍氣💞傳動系統(tong)中占據的地位日(ri)趨重要,已獲得巨(ju)大的節能效果。變(bian)頻器電源主電路(lù)均采用交流-直流(liú)-交流方案。工頻電(dian)源🌈通過整流器變(bian)成固定的直流電(dian)壓,然後由大功率(lü)晶體管🏒或IGBT組成的(de)PWM高頻變換器, 将直(zhi)流電壓逆變成電(dian)壓、頻率可變的交(jiao)流輸出,電源輸出(chū)波形近似于正弦(xián)波,用于驅動交流(liu)🔅異步🎯電動機實現(xian)無級調速。
國際上(shàng)400kVA以下的變頻器電(dian)源系列産品已經(jing)問世。八十年⁉️代初(chu)期,日本東芝公司(si)最先将交流變頻(pin)調速技術應用📧于(yu)空🐪調器中。至1997年,其(qí)占有率已達到日(ri)本家用空調的70%以(yǐ)上。變頻👌空調具有(yǒu)舒适、節能等優點(diǎn)。國内于90年代初期(qī)開始研究變頻空(kong)調,96年引進生産線(xian)生産變頻空調器(qì),逐漸形成變頻空(kōng)🤟調開發生産熱點(diǎn)。預計到2000年左右将(jiang)形成高潮。變頻空(kōng)調除🈲了變頻電源(yuan)外,還要求☔有适合(he)于變頻調速的壓(ya)縮機電機。優化控(kòng)制策略,精♊選功能(néng)組件,是空🥰調變頻(pín)電源💰研制的進一(yī)步發展方向。
2.6 高頻(pín)逆變式整流焊機(jī)電源
逆(nì)變焊機電源大都(dōu)采用交流-直流-交(jiao)流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方(fang)法。50Hz交流電經全橋(qiao)整流變成直流,IGBT組(zu)成的PWM高頻變換部(bù)分将直🐪流電逆變(biàn)成20kHz的高頻矩形波(bo),經高頻變壓器耦(ǒu)合, 整流濾波後成(cheng)爲穩定的直流,供(gong)電弧使用。
由于焊(han)機電源的工作條(tiáo)件惡劣,頻繁的處(chù)于短路、燃弧、開路(lu)交替變化之中,因(yīn)此高頻逆變式整(zheng)流焊機電💞源的工(gong)作可靠性問題成(chéng)爲最關鍵的問題(ti),也😘是用戶⛷️最關心(xin)的問題。采用微處(chù)理器做爲脈沖寬(kuān)度調制(PWM)的相關控(kong)制㊙️器,通過對多參(cān)數、多信息的提取(qu)與分析,達到預知(zhī)系統各種工作狀(zhuang)态的目的,進👅而提(ti)前對系統做出調(diào)整和處理,解決了(le)目前大功率IGBT逆變(bian)電源可靠性。
國外(wài)逆變焊機已可做(zuo)到額定焊接電流(liú)300A,負載持續率🏃♀️60%,全載(zai)電壓🔞60~75V,電流調節範(fàn)圍5~300A,重量29kg。
2.7 大功率開(kai)關型高壓直流電(dian)源
大功率開關型(xing)高壓直流電源廣(guang)泛應用于靜電除(chú)💁塵、水質改良🌈、醫用(yòng)X光機和CT機等大型(xing)設備。電壓高達50~l59kV,電(diàn)流達到0.5A以上🌈,功率(lü)可達100kW。
自從70年代開(kai)始,日本的一些公(gong)司開始采用逆變(biàn)技術,将市電整流(liu)後逆變爲3kHz左右的(de)中頻,然後升壓。進(jin)入80年代,高頻開關(guān)電源技術迅速發(fa)展。德國西門子公(gong)司采用功率晶體(tǐ)管做主開關元件(jian)🆚,将電源的開♉關頻(pín)率提高到20kHz以上🈲。并(bìng)将幹式😘變壓器技(ji)🎯術成功的應用于(yu)高頻高壓電源,取(qu)消了高壓變壓器(qi)油箱,使🌍變壓器系(xi)統的體積進一步(bù)減小。
國内對靜電(dian)除塵高壓直流電(dian)源進行了研制,市(shì)電經整流變🔴爲直(zhí)流,采用全橋零電(diàn)流開關串聯諧振(zhen)🐇逆變電路将直流(liu)電壓逆變爲高頻(pin)電壓,然後由高頻(pín)變壓器升壓㊙️,最後(hòu)整流爲直流高壓(ya)。在電阻負載條件(jian)下,輸出直流電壓(ya)達到55kV,電流達到15mA,工(gong)作頻率爲25.6kHz。
2.8 電力有(you)源濾波器
電力(lì)有源濾波器是一(yi)種能夠動态抑制(zhì)諧波的新型電力(lì)電子🌏裝置,能克服(fú)傳統LC濾波器的不(bú)足,是一種很✍️有發(fā)展前途的✍️諧波抑(yi)制手段。濾波器由(yóu)橋式💃🏻開關功率變(bian)換🛀器和具體控制(zhi)電路構🏒成。與傳統(tǒng)開關電源的區别(bié)是:(l)不僅反饋輸出(chū)電壓,還反饋輸入(ru)平均電流; (2)電♌流環(huan)基準信号爲電壓(yā)環誤差信号與‼️全(quan)波整流電壓取樣(yàng)信号之乘積。
