現(xiàn)代電力電子及其應(yīng)用

1、現(xiàn)代電力電子及其應(yīng)用摘要：電力電子技術(shù)是電氣工程的三大領(lǐng)域-電力，電子和控制交叉形成的邊緣學(xué)科。從1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明第一個(gè)晶閘管(scr)開始，真正步入了電力電子技術(shù)時(shí)代。電力電子技術(shù)本身不僅是一項(xiàng)高新技術(shù).而且還是其它多項(xiàng)高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。其應(yīng)用從航空航天到家用電器的一切經(jīng)濟(jì)和生活領(lǐng)域，是國(guó)家工業(yè)發(fā)展必不可少的專業(yè)技術(shù)，它將給現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠(yuǎn)的影響。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)一、電力電子技術(shù)研究的問題電力電子技術(shù)是一項(xiàng)利用功率半導(dǎo)體器件，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，微處理器或計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能進(jìn)行控制和變換的技術(shù)。這種技術(shù)是以盡可能高的效率將一種形式的電壓、電流、頻

2、、相數(shù)的電能變換成另一種形式的電壓、電流、頻率、相數(shù)的電能。它盡可能使用無損耗的磁元件、電容元件和開關(guān)工作狀態(tài)的功率半導(dǎo)體器件，少用或不用損耗性的電阻和線性工作狀態(tài)的功率半導(dǎo)體，構(gòu)成開關(guān)型高效率的功率處理系統(tǒng)。因此，電力電子技術(shù)也是一項(xiàng)高效節(jié)能的技術(shù)。它與微電子技術(shù)中的信號(hào)處理系統(tǒng)不同，后者是對(duì)輸入信息進(jìn)行處理，完成某種功能。例如，擬放大、數(shù)字編碼、數(shù)/模轉(zhuǎn)換或模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。為完成這些處理，信號(hào)處理系統(tǒng)只需要很少的電功率，系統(tǒng)的效率不是主要的。而電力電子技術(shù)的功率處理系統(tǒng)，變換效率是最重要的指標(biāo)之一，它是強(qiáng)電與弱電的結(jié)合點(diǎn)。在電力電子技術(shù)的功率處理系統(tǒng)中，磁性元件(電感或變壓器等)的重量和尺寸

3、占主要部份。而提高功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率，可使磁隆元件小型輕量化。因此，高頻化是電力電子技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。有兩種電路方案可供選擇:非諧振式和諧振式(包括準(zhǔn)諧振式)。前者技術(shù)成熟，但開關(guān)損耗隨頻率提高而增加，頻率提高有限。這是一個(gè)尚在探討解決中的開關(guān)吸收問題。后者則處于發(fā)展研究中，原理上沒有開關(guān)損耗，但目前技術(shù)還不成熟，只是在某些中小功率系統(tǒng)中得到初步應(yīng)用。此外，開關(guān)型高效率的電力電子系統(tǒng)是一個(gè)非線性的離散時(shí)變系統(tǒng)，它的建模、仿真、分析和檢測(cè)等比較復(fù)雜.難度較大?，F(xiàn)在還是一個(gè)研究熱點(diǎn)。仿真軟件psplce技術(shù)還不成熟，使用時(shí)有很大局限性。二、現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域1.計(jì)算機(jī)高效率綠色電源

4、高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源,率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品,綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星”計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)備,在睡眠狀態(tài)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(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。2.通信用高頻開關(guān)電源通信業(yè)的迅速

5、發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)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(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48v的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器smr)通過mosfet或igbt的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100khz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48v/12.5a、48v/20a擴(kuò)大到48v/200a、48v/400a。3.直流-直

6、流(dc/dc)變換器dc/dc變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(2030)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)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(shù),開關(guān)頻率在500khz左右,功率密度為5w20w/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)

7、了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。4.不間斷電源(ups)不間斷電源(ups)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)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(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。5.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中,開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、

8、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù),通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、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(shù)。6.高頻化理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)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(dāng)我們把頻率從工頻50hz提高到20khz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”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