本文闡述(shu)了現代電力電(dian)子技術的發展(zhan)過程,對電力電(dian)子技術的應用(yong)領域進行了描(miao)述,論述了 現代(dai)電源技術的發(fa)展趨勢。
現代電(diàn)源技術是應用(yong)電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自(zi)😄動控制、計算機(jī)(微處理器)技術(shù)和電磁技術的(de)多學科邊緣交(jiāo)叉技術。在各種(zhong)高質量、高效、高(gao)可靠性的電源(yuan)中起關✂️鍵作用(yòng)🤩,是現代電力電(diàn)子技術的具 體(tǐ)應用。
當前,電力(li)電子作爲節能(neng)、節才、自動化、智(zhi)能化、機電一體(ti)化的基礎,正朝(cháo)着應用技術高(gāo)頻化、硬件結構(gòu)模塊化、産品性(xing)🥰能綠🌈色化的方(fang)向發展。在不遠(yuan)的将來,電力電(diàn)子技術将使🔱電(dian)源技術更加成(chéng)熟、經 濟、實🐉用,實(shí)現高㊙️效率和高(gao)💁品質用電相結(jie)合。
1. 電力電子技(ji)術的發展
現代(dai)電力電子技術(shù)的發展方向,是(shì)從以低頻技術(shu)💚處🐆理問題爲主(zhǔ)的傳統電力電(diàn)子學,向以高頻(pín)技術處理💛問題(tí)爲主的現代電(diàn)🐪力電子學方向(xiàng)轉變。電力電子(zǐ)技術起始于五(wu)十年代末六十(shí)年代初的矽整(zheng)👈流器件,其發展(zhan)先後經曆了整(zheng)流器時代、逆變(bian)器時代和變頻(pin)器時代,并促進(jin)🌈了電力電子技(jì)術在許多💋新領(lǐng)域的應用。八十(shí)年代末期和九(jiu)十年代初期發(fā)展起來的、以功(gong)率MOSFET和IGBT爲代表的(de)、集高頻、高壓和(he)大電流于一身(shen)的功率半✉️導體(tǐ)複合器件,表明(míng)🚶♀️傳統電力💯電子(zǐ)技術已經進入(rù)現代電力電子(zi)時代。
1.1 整流器時(shí)代
大功率的工(gōng)業用電由工頻(pin)(50Hz)交流發電機提(tí)供,但是大約20%的(de)電能是以直流(liu)形式消費的,其(qí)中最典型的是(shì)電😄解(有色金屬(shu)和🏃♂️化工原料需(xu)要直流電解)、牽(qiān)引🐕(電氣機車、電(dian)傳動的内燃機(ji)車、地鐵機車、城(cheng)市無軌電車等(deng))和直流傳動(軋(zha)鋼、造紙等)三大(da)領域。大功率矽(xī)整流器能💞夠高(gāo)效率地把工頻(pín)交流電轉變爲(wei)直流電,因此在(zai)六十年代和七(qī)十年代,大功率(lǜ)矽整流📞管和晶(jing)閘管的開發與(yǔ)應用得以很大(dà)發展。當時國内(nèi)曾經掀起了一(yī)股各地大辦矽(xī)整流器廠的熱(rè)潮🏃,目前全國大(dà)大小小的制造(zao)矽整流器的半(bàn)導體廠家就是(shi)那時的産物。
1.2 逆(ni)變器時代
七十(shí)年代出現了世(shi)界範圍的能源(yuan)危機,交流電機(jī)變頻調速因節(jie)能效果顯著而(ér)迅速發展。變頻(pín)調速的關鍵技(ji)術是将直流電(dian)逆變爲0~100Hz的交流(liú)電。在七十年代(dai)到八十年😘代,随(sui)着變頻調速裝(zhuāng)置的普及,大功(gōng)率逆變用的晶(jing)閘管、巨型功率(lǜ)晶體管(GTR)和門極(jí)可關😄斷晶閘管(guan)(GT0)成💛爲當時電力(li)電子器件的主(zhǔ)角。類似的應用(yòng)還包括高壓直(zhí)流輸出,靜止式(shì)無功功率動态(tai)補償等。這時的(de)電力電子技術(shù)已經能夠實現(xian)整流🔴和逆變,但(dàn)工作頻率🔴較低(di),僅局限在中低(di)頻範圍内。
進入八(ba)十年代,大規模(mo)和超大規模集(ji)成電路技術的(de)迅猛發展,爲現(xiàn)代電力電子技(ji)術的發展奠定(ding)了基礎。将集成(cheng)電路技術的精(jīng)細加工技術和(he)高壓大🌈電流技(jì)術有機🐆結合,出(chū)現了一🌈批全新(xīn)的全控型功率(lü)器件、首先是功(gong)率🔴M0SFET的問世,導緻(zhì)了中小功率電(diàn)源向高頻化發(fa)♈展,而後絕緣門(men)極雙極晶體管(guan)(IGBT)的出現👉,又爲大(dà)中型功率電源(yuán)向高頻發展帶(dai)來機遇。MOSFET和IGBT的相(xiàng)繼問世,是傳統(tong)的電力電子向(xiang)現代電力電子(zǐ)轉化的标志。據(ju)統計,到1995年底,功(gong)率M0SFET和GTR在功率半(bàn)導體器件市場(chǎng)上已達到平分(fen)👈秋色的地步,而(ér)用IGBT代替㊙️GTR在電力(lì)電子領域巳成(chéng)定論。新型器件(jian)的發展不僅爲(wei)交流電機變頻(pín)調速提供了🚶較(jiao)高的頻率,使其(qí)性能更加完善(shan)可靠,而且使現(xian)代電子🏃♀️技術不(bú)斷向高頻化🐕發(fā)展,爲用電設備(bèi)的高效節材節(jiē)能,實現小型輕(qing)量化,機電一體(tǐ)化和智能化提(tí)供了重要的技(jì)術基🈲礎🌈。
2. 現代電(diàn)力電子的應用(yong)領域
2.1 計算機高(gāo)效率綠色電源(yuán)
高速發展的計(ji)算機技術帶領(lǐng)人類進入了信(xin)息社會,同時也(yě)促進了電源技(jì)術的迅速發展(zhǎn)。八十年代🛀,計算(suàn)機全✔️面采用了(le)開關電源,率先(xiān)完成計算機電(dian)源換代。接着開(kai)關電源技術相(xiang)繼進人🍉了電子(zǐ)、電器設備領域(yù)。
計算機技術的(de)發展,提出綠色(se)電腦和綠色電(diàn)源。綠色👅電♻️腦泛(fàn)指對環境無害(hài)的個人電腦和(he)相關産品，綠色(sè)電源系指與綠(lü)色電腦相關的(de)高效省電電源(yuán),根據美國環境(jing)🔱保護署l992年12月10日(ri)💰“能源之星"計劃(huà)規定✌️,桌上型個(gè)♻️人電腦或相關(guan)的外圍設備,在(zai)睡眠狀态🌂下的(de)耗電量若小于(yú)30瓦,就符合綠色(sè)電腦的要求,提(ti)⭐高電源效率是(shi)♈降低電源消耗(hào)的根本途徑。就(jiù)目前效率爲75%的(de)200瓦開關電源而(ér)㊙️言,電源自身要(yào)消耗50瓦的能源(yuan)。
2.2 通信用高頻開(kāi)關電源
通信業(ye)的迅速發展極(jí)大的推動了通(tōng)信電源的發展(zhan)。高♊頻小型化的(de)開關電源及其(qi)技術已成爲現(xian)代🚶通信💚供電系(xì)統的主流。在通(tōng)信領域中,通常(cháng)将整流器稱爲(wei)一次電源,而将(jiang)直流-直㊙️流(DC/DC)變換(huàn)器稱爲二次電(diàn)源。一次電源的(de)作用是将單‼️相(xiang)或三相交流電(diàn)網🤩變換成标稱(cheng)❄️值爲48V的直流電(diàn)源。目前在程控(kong)交換機🚶用的一(yī)次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩壓(yā)電源己被高頻(pín)開關電源取代(dài),高頻開關電源(yuan)(也稱爲開關型(xíng)整流器SMR)通過MOSFET或(huò)IGBT的高頻工作,開(kāi)關頻率一般控(kòng)制在50-100kHz範💃圍内,實(shi)現高效率和小(xiǎo)💛型化。近幾年,開(kai)關整流器的功(gōng)率容量不斷擴(kuo)大,單機容量己(ji)從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通(tōng)信設備中所用(yong)集成電路的種(zhǒng)類繁多,其電源(yuan)⛷️電壓👈也各不相(xiang)同,在通信供電(diàn)系統中采用高(gāo)功率密度的高(gāo)頻DC-DC隔👉離電🏃🏻源模(mo)塊,從中間母線(xian)電壓(一般爲48V直(zhí)流㊙️)變換成🌈所需(xū)的💃各種直流電(dian)壓,這樣可大大(da)減小損耗💋、方便(biàn)維護,且安裝、增(zeng)加非常方便。一(yi)般都👈可直接裝(zhuāng)在标準控制闆(pan)上,對二次電源(yuan)的要求是高功(gōng)率密度。因通信(xìn)容量的不♉斷增(zeng)加,通信電源容(róng)量也将不斷增(zēng)加🔞。
2.3 直流-直流(DC/DC)變(biàn)換器
DC/DC變換器将(jiāng)一個固定的直(zhí)流電壓變換爲(wèi)可變的直流電(diàn)壓,這種💚技術被(bèi)廣泛應用于無(wu)軌電車、地鐵列(lie)車、電動車的無(wú)級變速和控制(zhi),同時使上述控(kong)制獲得加速平(píng)穩、快速響應的(de)性能,并同時收(shōu)到節約電🍉能的(de)效果。用直流斬(zhan)波器代替變阻(zu)器可節約電能(neng)(20~30)%。直流斬波器🙇♀️不(bú)僅能起調壓的(de)作用(開關電源(yuan)), 同時還能起到(dao)有效♈地抑制電(dian)網側諧波電流(liu)噪聲的作用。
通(tōng)信電源的二次(cì)電源DC/DC變換器已(yǐ)商品化,模塊采(cǎi)用高頻PWM技術,開(kāi)關頻率在500kHz左右(yòu),功率密度爲5W~20W/in3。随(suí)着大規模集成(cheng)電路的🏃發展,要(yao)求♈電源模塊實(shi)現小型化,因🍓此(ci)就要不斷提高(gāo)開關頻率和采(cai)用新🌍的電路拓(tuò)撲🔱結構,目前已(yǐ)有一些公司研(yán)制生産了采用(yòng)零電流開關和(hé)零電壓開關技(ji)術♊的二次電源(yuan)模塊,功率密度(dù)有較大幅度🐉的(de)提高。
不間斷電源(yuan)(UPS)是計算機、通信(xin)系統以及要求(qiu)提供不能中斷(duàn)場🔞合🔱所必須的(de)一種高可靠、高(gao)性能的電源。交(jiāo)流市電輸入經(jing)整流器變成直(zhí)流,一部分能量(liang)給蓄電池組充(chong)電,另一部⭐分能(neng)量經逆變器變(bian)成交流⁉️,經轉換(huàn)開🌈關送到負載(zai)。爲了在逆變器(qì)故障時仍能向(xiàng)負載提供能量(liang),另一路備用電(dian)源通過電源轉(zhuan)換開關來實現(xiàn)。
現代UPS普遍了采(cǎi)用脈寬調制技(jì)術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電😄力電子器(qì)件,電源的噪聲(sheng)得以降低,而效(xiào)率和可靠性得(de)以提高。微🐇處理(li)器軟硬件技術(shu)的引入,可以實(shi)現對UPS的智能化(hua)管理,進🤞行遠程(cheng)維護和遠程診(zhěn)斷。
目前在線式(shì)UPS的最大容量已(yǐ)可作到600kVA。超小型(xíng)UPS發展也很♊迅🔆速(su),已☂️經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種(zhǒng)規格的産品。
2.5 變(bian)頻器電源
變頻(pin)器電源主要用(yong)于交流電機的(de)變頻調速,其在(zài)電氣傳動系🚩統(tong)中占據的地位(wèi)日趨重要,已獲(huo)得巨大的節能(neng)效果🌍。變頻💋器電(diàn)源主電路均采(cai)用交流-直流-交(jiāo)流方案。工頻電(dian)源通過整流器(qi)變成固定的直(zhí)流電壓,然♋後由(you)大功率晶體管(guǎn)或IGBT組成的🚩PWM高頻(pín)變換♊器, 将直流(liú)電壓逆變成電(diàn)壓、頻率可變的(de)交流輸出,電源(yuan)輸出波🐕形近似(si)于正弦波👣,用于(yú)驅動交流異步(bù)電動機實現無(wú)級調速。
國際上(shàng)400kVA以下的變頻器(qì)電源系列産品(pin)已經問世。八十(shi)年代初期,日本(běn)東芝公司最先(xian)将交流變頻調(diào)速😄技術應用于(yu)空調器中。至1997年(nián),其占有率已達(dá)到日本家用空(kong)調的70%以🔴上。變頻(pin)空調具💘有舒适(shì)、節能等優點。國(guo)内于90年代初期(qi)開始研究變頻(pín)空調,96年引進生(sheng)産❤️線生産變頻(pin)空調器,逐漸形(xíng)成變頻空調開(kai)發生産熱點。預(yu)計到🏃2000年左右将(jiāng)形成高潮。變頻(pín)空調除了變頻(pín)電源外,還要求(qiú)有适合于變頻(pín)調速的壓縮機(ji)電🏃機。優化控制(zhi)策略,精✂️選功能(néng)組件,是空調變(bian)頻電源研制的(de)進一步發展方(fāng)向。
2.6 高頻逆變式(shì)整流焊機電源(yuán)
高頻逆變式整(zhěng)流焊機電源是(shi)一種高性能、高(gao)效、省材的新💃🏻型(xing)焊機電源,代表(biao)了當今焊機電(dian)源的發展方向(xiàng)⁉️。由于IGBT大容♌量模(mó)塊的商用化,這(zhè)種電源更有着(zhe)廣闊的應用前(qian)景。
逆變焊機電(diàn)源大都采用交(jiāo)流-直流-交流-直(zhi)流(AC-DC-AC-DC)變換的方法(fǎ)。50Hz交流電經全橋(qiao)整流變成直流(liu),IGBT組成的PWM高頻變(bian)換部分将直🧑🏾🤝🧑🏼流(liú)電逆變🔞成20kHz的高(gāo)頻矩形波,經高(gao)頻變壓器耦合(hé), 整流濾波後成(cheng)爲穩定的直流(liú),供電弧使用。
由(you)于焊機電源的(de)工作條件惡劣(liè),頻繁的處于短(duǎn)路、燃弧、開路交(jiāo)替變化之中,因(yin)此高頻逆變式(shì)整流焊💰機電源(yuan)的工作可靠性(xìng)問題成爲最關(guan)鍵的問題,也是(shì)用戶最關心的(de)問題。采用微處(chu)理器做爲脈沖(chong)寬度調制(PWM)的相(xiàng)關控制器,通過(guò)對多參數、多👈信(xin)息的提👄取與分(fèn)析,達到預知系(xi)統各種工作狀(zhuàng)态的目的,進而(er)提前對系統🔱做(zuo)出調整和處理(lǐ),解決了目前🔴大(da)功率IGBT逆變電源(yuán)可靠性。
國外逆(nì)變焊機已可做(zuò)到額定焊接電(dian)流300A,負載持續率(lǜ)60%,全🍉載🙇♀️電🆚壓60~75V,電流(liú)調節範圍5~300A,重量(liàng)29kg。
2.7 大功率開關型(xíng)高壓直流電源(yuan)
大功率開關型(xíng)高壓直流電源(yuan)廣泛應用于靜(jìng)電除塵、水質改(gǎi)良、醫用X光機和(he)CT機等大型設備(bei)。電壓高達50~l59kV,電流(liú)達到0.5A以上,功率(lǜ)💁可達100kW。
自從70年代(dài)開始,日本的一(yī)些公司開始采(cai)用逆變技術👄,将(jiāng)市電整流後逆(ni)變爲3kHz左右的中(zhōng)頻,然後升壓。進(jìn)🌍入80年代,高頻開(kai)💃關電源技術迅(xun)速發展。德國西(xī)門子公司采用(yòng)功率晶體管做(zuò)主開關元件,将(jiang)電源的開關頻(pin)率提高到20kHz以上(shàng)。并将幹式變壓(yā)器技術成功的(de)應用于高頻🌐高(gāo)壓電源,取消了(le)高壓變壓器油(yóu)箱,使變壓器系(xì)統的體積進一(yi)步減小。
國内對(duì)靜電除塵高壓(yā)直流電源進行(hang)了研制,市電🤞經(jīng)整流變爲直流(liú),采用全橋零電(diàn)流開關串聯諧(xié)振❓逆變電路将(jiāng)直流電壓逆變(bian)爲高頻電壓,然(rán)後由高頻變壓(ya)💜器升壓,最後整(zheng)流爲直流高壓(ya)。在電阻負載條(tiáo)件下,輸出直流(liú)電壓達到55kV,電流(liu)達到15mA,工作頻率(lü)爲25.6kHz。
2.8 電力有源濾(lǜ)波器
電力(li)有源濾波器是(shì)一種能夠動态(tài)抑制諧波的新(xin)型🌍電力⛱️電子裝(zhuang)置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足(zú),是一種很有發(fā)👈展前途的諧波(bo)抑制手段。濾波(bō)器由橋式開關(guan)功率變換器和(hé)具體控制電路(lu)構成。與傳統開(kai)關電源的區别(bie)是:(l)不僅反饋輸(shū)出電壓,還反饋(kui)輸入🔱平均電流(liu); (2)電流環基準信(xìn)号爲電壓環誤(wù)差信号與💛全波(bo)整流電壓取樣(yang)信号之乘積。
