電力電子技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

1、電力電子技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用一、電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力 電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子 技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整電子產(chǎn)品流器件，其發(fā)展先后經(jīng)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(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)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(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時 代。整流器時代大功率的工業(yè)用電由工頻（50hz）交流發(fā)電機提供，但是大約20%的電能是以 直流形式消費的

2、，其中最典型的是電解（有色金屈和空原料需要直流電 解）、牽引（電氣機車、電傳動的內(nèi)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(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和品閘 管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時國內(nèi)曾經(jīng)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陸整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn) 物。逆變器時代七十年代擊現(xiàn)了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著 而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將肓流電逆變?yōu)閛'loohz的交流電。 在七十年代到八十年代，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功

3、率逆變用的晶閘 管、巨型功率晶體管（gtr）和門極可關(guān)斷晶閘管（gto）成為當(dāng)時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)取?這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在 中低頻范圍內(nèi)。變頻器時代進入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電 力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大 電流技術(shù)有機結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率mosfet 的問世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管 (igbt)的出現(xiàn)，乂為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。mosfet和igbt

4、的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計，到 1995年底，功率mosfet和gtr在功率半導(dǎo)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(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅 為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn) 代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實現(xiàn)小型輕量 化，機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。二、電力電子技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用1、簡介如今汽車用電源形成了多種電源并存的局面，以便實現(xiàn)汽車的各種功能，其中 免不了利用電力電子技術(shù)(例如，冋波技術(shù)，藉能量管理或功率管理的最佳化, 高可靠性，利用線控裝置

5、的電子控制系統(tǒng)等)。由于pe技術(shù)導(dǎo)致了“響應(yīng)性好”、 “軟控制的靈活性”、“小型輕量化的操控j “高的效率”等一系列優(yōu)越的性能，如 今其在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，2、普銳斯驅(qū)動系統(tǒng)簡介豐cd混合動力系統(tǒng)由以下主要結(jié)構(gòu)部件 組成：高效率的汽油發(fā)動機，動力分離機 構(gòu)，發(fā)電機，電動機，逆變器，升壓變換 器，銀氫電池，以及對這些進行協(xié)調(diào)控制 的系統(tǒng)控制裝置。發(fā)動機的高效率運轉(zhuǎn)和無級變速功能演 示：(1) 停車時，發(fā)動機停止，發(fā)動與輕載運行 時僅由電動機驅(qū)動ev行駛；(2) 加速時，將發(fā)電機作為起動機，起動發(fā) 動機。發(fā)動機的功率，藉行星齒輪機構(gòu)分 離成直接驅(qū)動力與發(fā)電機的驅(qū)動力，發(fā)電 機向電動機供電；電動機駆

6、動輪a功力傳力自 -4電力件力臼(b>動力傳愉方向逆受話(3) 急加速時，不僅增加發(fā)電機功率，還藉 來自講電池的功率，以提升電動機的驅(qū)動力；(4) 正常行駛時，控制發(fā)電機和電動機的轉(zhuǎn)速，達到發(fā)動機效率最高。同時， 按照需要對蓄電池進行充電；(5) 減速時，將電動機作為發(fā)電機使用，實現(xiàn)能量的冋收。3、常用的電子電力技術(shù)裝置(1) 逆變器單元在prius主驅(qū)動系統(tǒng)中，電動機和發(fā)電機所用三相電壓型逆變器(功率分別為50kw 和30kw)被集成在一個模塊上，直流母線最犬供電電壓被設(shè)定為500v。功率器 件選用帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的商用igbt (850v/200a)，該功率等級的igbt具有 足

7、以承受最大500v反壓的能力，以及其它諸如雪崩擊穿、瞬時短路的能力。功率控制單元 k50kw功率主回路示意圖目前，電動汽車普遍采用pwm控制的電壓型逆變器，這種逆變器具有線路簡單、 效率高的特點，同吋pwm逆變器呈現(xiàn)出以下幾種發(fā)展趨勢：a、采用igbt器件，工作頻率高，并減少了低頻諧波分量和起動時的電流沖擊b、電機額定頻率相應(yīng)提高了，擴大了調(diào)速范圍，在更好地滿足運行耍求的同時, 減少電機的體積和重量，提高功率比。c、采用dsp為核心的計算機控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的矢量控制和運算，電機 可做到快速恒力矩起動及弱磁高速運行，這種控制系統(tǒng)穩(wěn)定，電流沖擊小，控制 效率高。(2 ) dede升壓變換器單

8、元在ths中，蓄電池組通過逆變器直接與電機和發(fā)電機相連；而在ths ii中，蓄電 池組輸出的電壓首先通過dcdc升壓變換器進行升壓操作，然后再與逆變器相連, 因此逆變器的直流母線電壓從原ths的202v提升為現(xiàn)在的500voprius thsii可變壓系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖500vprius ths與ths ii直流供電方式比較這種系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1) 由于電機的最大輸出功率能力是與直流母線電壓成正比的，因此與原ths 系統(tǒng)的202v供電工況相比，在不增加驅(qū)動電流的情況下,ths ii系統(tǒng)中電機在500v 供電時，其最大輸出功率以及轉(zhuǎn)矩的輸出能力是原ths系統(tǒng)的2.5倍；此外相同 體積的屯機，還能

9、夠輸出更高的功率；(2) 由于使用了直流母線供電電壓可變系統(tǒng)，因此ths ii可以根據(jù)電動機和發(fā)電 機的實際需要，自由的調(diào)節(jié)直流母線供電電壓，從而選擇最優(yōu)的供電電壓，達到 減少逆變器開關(guān)損耗以及電動機銅損的節(jié)能目的；(3) 對于供電電壓一定的蓄電池組來說，由于可以通過調(diào)整升壓變壓器的輸出 電壓的方式，來滿足電動機和發(fā)屯機的實際需要，因此從某種程度上講，可以減 少蓄電池的使用數(shù)量，降低整車質(zhì)量。(3)dc-dc降壓變換器單元prius選用了 14v蓄電池組作為諸如控制計算機、車燈、制動器等車載電氣設(shè)備 的供電電源，而對該蓄電池的充電工作則由肓流202v通過一個dcdc降壓變換 器來完成的.14v

10、蓄電池充電用dc-dc變換器三. 電力電子技術(shù)在其他機械裝置中的應(yīng)用直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圉內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、 礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屈切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性 能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流 調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一，廣泛地應(yīng)用于軋鋼 機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相 全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng) 采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等。如今直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，其主要特點是：a、常規(guī)的晶閘管育流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而ii維修方便。b、動態(tài)參數(shù)調(diào)整方便。c、系統(tǒng)可以方便的設(shè)計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的 可靠性。<1、可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能。e、可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度。f、：容易與上一級計算機交換信息。g、具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能。四、結(jié)束語本文結(jié)合豐hi汽車公司的最新一代混合動力電動汽車，綜述了電力電子技術(shù)在混 合電動