現(xian)代電力電(diàn)子及電麻豆🚩网站🌈源(yuán)技術的發(fā)展
發布時(shi)間：2025-12-10 浏覽數(shu)：
本文闡述(shu)了現代電(diàn)力電子技(jì)術的發展(zhan)過程,對電(diàn)🚶♀️力電子技(ji)術的應用(yòng)領域進行(hang)了描述,論(lun)述了 現代(dài)電源技術(shù)的發展趨(qū)勢。
現代電(diàn)源技術是(shi)應用電力(lì)電子半導(dǎo)體器件,綜(zong)合🐅自動控(kòng)制、計算機(ji)(微處理器(qì))技術和電(diàn)磁技術的(de)多學科邊(bian)緣交叉技(ji)術。在各種(zhǒng)高質量、高(gao)效、高可靠(kao)性的電源(yuán)中起關鍵(jian)作用,是現(xiàn)代🔞電力電(dian)子技術的(de)具🌏 體應用(yong)。
當前,電力(lì)電子作爲(wei)節能、節才(cai)、自動化、智(zhi)能化、機電(diàn)一體化🚶♀️的(de)基礎,正朝(cháo)着應用技(jì)術高頻化(huà)、硬件結構(gou)⭕模塊化、産(chan)品性能綠(lǜ)色化的方(fāng)向發展。在(zai)不遠的将(jiang)來,電力電(diàn)子技術将(jiāng)使電源技(ji)💚術更加成(cheng)熟、經 濟、實(shi)用,實現高(gāo)效率和高(gāo)品質用電(diàn)相結合。
1. 電(diàn)力電子技(jì)術的發展(zhǎn)
現代電力(lì)電子技術(shu)的發展方(fāng)向,是從以(yi)低頻技術(shu)🔴處理問題(tí)爲主的傳(chuan)統電力電(diàn)子學,向以(yi)高頻技術(shù)處理問題(tí)爲主的現(xiàn)☀️代電✨力電(diàn)子學方向(xiàng)轉變。電力(lì)電子技術(shu)起始于五(wǔ)十年代末(mo)六十年🐪代(dai)初的矽整(zheng)流器件,其(qi)發展先後(hou)經曆了整(zhěng)🍉流器時代(dai)🈚、逆變器時(shi)🧑🏾🤝🧑🏼代和變頻(pin)器🧑🏾🤝🧑🏼時代,并(bing)促進🌈了電(dian)力電子技(ji)術在許多(duo)新領域的(de)應用。八十(shi)年代末期(qi)🐉和九十年(nian)代初期發(fa)🚶展起來的(de)、以功率💚MOSFET和(hé)IGBT爲代表的(de)、集高頻、高(gao)壓和大電(dian)流于一身(shen)的功率半(ban)⚽導體複合(he)器件,表🌈明(míng)傳統電力(li)電子技術(shu)已經進入(rù)現代電力(lì)電子時代(dai)。
1.1 整流器時(shí)代
大功率(lǜ)的工業用(yong)電由工頻(pín)(50Hz)交流發電(diàn)機提供,但(dàn)是大約20%的(de)❤️電能㊙️是以(yǐ)直流形式(shì)消費的,其(qi)中最典型(xing)的是電解(jie)(有色金屬(shu)和🏃🏻♂️化工原(yuán)料需要直(zhí)流電解)、牽(qian)引(電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的内🔞燃機(ji)車💞、地鐵機(jī)車、城市無(wu)軌電車等(děng))和直流傳(chuán)動💁(軋鋼、造(zao)紙等)三大(da)領域。大功(gong)率矽整流(liú)器能夠高(gao)效率地把(ba)工頻交流(liu)電轉變爲(wei)直📱流電,因(yīn)此在六⁉️十(shí)年代和七(qī)十年代,大(dà)功率矽整(zheng)流♈管和晶(jing)閘管的開(kāi)發與應用(yòng)得以很大(da)發展。當時(shí)國内曾經(jing)掀起了一(yī)股各地大(dà)辦矽整流(liu)器廠的熱(re)潮,目前全(quán)國🐅大大小(xiao)小的制造(zào)矽♻️整流器(qì)的半導體(ti)廠家就是(shi)那時的産(chǎn)物。
七十(shí)年代出現(xiàn)了世界範(fàn)圍的能源(yuan)危機,交流(liu)電機變頻(pín)調速因節(jie)能效果顯(xiǎn)著而迅速(su)發展。變頻(pin)調速的關(guan)鍵技術是(shi)将直✊流電(dian)逆變爲0~100Hz的(de)交流電。在(zài)七十年代(dài)到八十年(nian)代,随着變(bian)頻調速裝(zhuāng)置🏃的普及(ji),大功率逆(ni)變用的晶(jing)閘管、巨型(xing)功率晶體(ti)管(GTR)和門極(ji)可關斷晶(jīng)閘管(GT0)成爲(wei)當時電力(li)電子器件(jian)的主角。類(lei)似的⭕應用(yòng)還包括高(gao)壓直流輸(shū)出,靜📐止式(shì)無功功率(lǜ)動态補償(cháng)等。這時的(de)電力電子(zi)技術已經(jing)🔴能夠實現(xian)整流和逆(nì)變,但工作(zuo)頻率較低(di),僅局限在(zài)中低頻範(fan)圍内。
1.3 變頻(pin)器時代
進(jin)入八十年(nian)代,大規模(mo)和超大規(gui)模集成電(diàn)路技術❄️的(de)迅猛發展(zhan),爲現代電(dian)力電子技(jì)術的發展(zhan)奠定了基(jī)礎。将集成(cheng)電路技術(shù)的精細加(jiā)工技術和(hé)高壓大📧電(diàn)流技🈚術有(you)機👅結合,出(chu)現了一批(pi)全新的全(quan)控型功率(lü)器件、首先(xiān)是功率M0SFET的(de)問世,導緻(zhi)了中小功(gong)率電源向(xiàng)高頻化發(fā)展,而後絕(jue)緣門極雙(shuāng)極晶體管(guan)(IGBT)的出現,又(you)爲大中型(xing)功率電源(yuan)向高頻發(fa)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的🤟相(xiang)繼問世,是(shì)傳統的電(dian)力㊙️電子向(xiang)現代電力(lì)電子轉化(huà)的标志。據(ju)統計,到💰1995年(nián)底,功率M0SFET和(hé)GTR在功率半(bàn)導體器件(jiàn)市場上已(yǐ)達到平分(fèn)秋色的👈地(di)步,而用IGBT代(dài)替GTR在電力(lì)電子領域(yù)巳成🏃♂️定論(lùn)。新型器件(jian)的發展不(bú)僅爲交流(liu)電機變頻(pín)🈲調速提供(gong)了較高的(de)頻率,使其(qí)性能更加(jia)完善可靠(kao),而且使現(xiàn)代電子技(jì)術不斷向(xiang)高頻化發(fa)展,爲用電(diàn)設備的高(gāo)效節材節(jie)♋能,實現小(xiao)型輕量化(huà),機電一體(ti)化和智能(neng)化提供了(le)重要的技(jì)術基礎。
2. 現(xian)代電力電(diàn)子的應用(yong)領域
2.1 計算(suàn)機高效率(lǜ)綠色電源(yuán)
高速發展(zhǎn)的計算機(jī)技術帶領(lǐng)人類進入(rù)了信息社(shè)⭐會,同時也(ye)✂️促進了電(diàn)源技術的(de)迅速發展(zhan)。八十年代(dai),計算機全(quán)面采用了(le)開關電源(yuán),率先完成(cheng)計算機電(diàn)源換代📧。接(jie)着開關電(dian)源技術相(xiang)繼進人🍉了(le)電子、電器(qì)㊙️設備領域(yu)。
計算機技(ji)術的發展(zhan),提出綠色(sè)電腦和綠(lǜ)色電源。綠(lǜ)色電腦泛(fan)指對環境(jìng)無害的個(gè)人電腦和(hé)相關産品(pǐn)，綠色電源(yuan)系指與綠(lǜ)色電🎯腦相(xiang)關的高效(xiào)省電電源(yuan),根據美🔞國(guó)環境保護(hu)署l992年12月10日(rì)“能源之💞星(xīng)"計劃規定(dìng),桌上型個(ge)人電腦或(huò)相關的外(wai)圍設備,在(zài)睡眠狀态(tai)下的耗電(dian)量若小于(yu)30瓦,就符合(hé)綠色電腦(nao)的要求,提(tí)☁️高電源效(xiao)率是降低(di)電源消耗(hào)的根本途(tu)徑。就目前(qian)效率爲75%的(de)200瓦開關電(dian)源而言,電(dian)源自身要(yào)消耗50瓦的(de)能源。
2.2 通信(xìn)用高頻開(kai)關電源
通(tong)信業的迅(xùn)速發展極(jí)大的推動(dòng)了通信電(dian)源的發💯展(zhan)。高頻小型(xíng)化的開關(guan)電源及其(qi)技術已成(chéng)爲現代通(tong)信供電系(xi)統的主流(liu)。在通信領(ling)域中,通常(chang)将整流器(qì)稱爲一次(cì)電源,而将(jiang)💔直流-直🔴流(liú)(DC/DC)變換器稱(cheng)爲二次電(dian)源。一次電(diàn)源的作用(yong)是将單相(xiang)或三相交(jiao)流電網變(biàn)換成标稱(cheng)值爲48V的直(zhi)流電源。目(mu)前在程控(kòng)交換機🏃🏻用(yong)的一次電(dian)源中,傳統(tǒng)的相控式(shi)穩壓電源(yuán)己被高頻(pín)開關電😍源(yuán)取代👌,高頻(pin)開關電源(yuán)(也稱爲開(kāi)關型整流(liu)器SMR)通過MOSFET或(huò)IGBT的高頻⁉️工(gōng)作,開關頻(pin)率一般控(kong)制在50-100kHz範圍(wei)内,實現高(gao)效率和小(xiǎo)型化。近幾(jǐ)年,開關整(zhěng)流🙇♀️器的功(gōng)率容量不(bú)斷擴❌大,單(dan)機容量己(jǐ)從48V/12.5A、48V/20A擴大到(dào)48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用(yòng)集成電路(lu)的種類繁(fán)多,其電源(yuán)電壓也各(gè)不相同,在(zài)通信供電(dian)系統中采(cǎi)用高功率(lü)密度的高(gāo)頻DC-DC隔離電(diàn)源模塊,從(cong)中間母線(xian)電壓(一般(bān)爲48V直流)變(bian)換成所需(xu)的各種直(zhí)流電壓,這(zhe)樣可大大(da)減小損耗(hào)✉️、方便維護(hù),且安裝、增(zeng)加非常方(fang)便。一般都(dou)可直接裝(zhuang)在标準控(kong)制闆上,對(dui)二次電源(yuan)的要求是(shì)高功率密(mì)度。因通信(xìn)容量的不(bú)斷增加,通(tong)信電源容(rong)量也将不(bu)斷增加。
2.3 直(zhi)流-直流(DC/DC)變(bian)換器
DC/DC變換(huan)器将一個(ge)固定的直(zhi)流電壓變(biàn)換爲可變(bian)的直流🌈電(diàn)🐪壓,這🔅種技(jì)術被廣泛(fàn)應用于無(wu)軌電車、地(di)鐵列車、電(diàn)動車⭐的無(wu)級變速和(he)控制,同時(shi)使上述控(kòng)制獲得加(jia)速平穩、快(kuài)速響應的(de)性能,并同(tóng)時收到節(jiē)約電♈能的(de)效果。用直(zhi)流斬波器(qì)代替🏃🏻變阻(zǔ)器可節約(yue)電能(20~30)%。直流(liú)斬波器不(bu)僅能起調(diào)🔞壓的作用(yong)(開🤟關電源(yuan)), 同時還能(neng)起到有效(xiào)地抑制電(diàn)網側諧波(bō)電流噪聲(sheng)的作用。
通(tōng)信電源的(de)二次電源(yuán)DC/DC變換器已(yǐ)商品化,模(mó)塊采用高(gao)頻PWM技👌術㊙️,開(kāi)關頻率在(zai)500kHz左右,功率(lǜ)密度爲5W~20W/in3。随(suí)着大規模(mo)集成電🔴路(lù)的✏️發展,要(yào)求電源模(mó)塊實現小(xiao)型化,因此(cǐ)就要不斷(duan)提高開關(guan)頻率和采(cai)用新的電(dian)路拓撲📱結(jie)構,目前☂️已(yǐ)有一些公(gōng)司研制生(sheng)産了采用(yòng)零電流開(kāi)關和零電(diàn)壓開關技(ji)術的二次(cì)電源模塊(kuai),功率密🚶♀️度(dù)有較大幅(fú)✏️度的提高(gāo)。
2.4 不間斷電(dian)源(UPS)
不間斷(duàn)電源(UPS)是計(jì)算機、通信(xin)系統以及(ji)要求提供(gong)不能中⛷️斷(duan)場♍合所必(bì)須的一種(zhǒng)高可靠、高(gāo)性能的電(dian)源。交流市(shi)電🐅輸入經(jīng)整流器🏃🏻變(biàn)成直流,一(yī)部分能量(liang)給蓄電池(chí)組充電,另(ling)一部分能(neng)量經逆變(biàn)器變成交(jiāo)流,經轉換(huàn)開㊙️關送到(dao)負㊙️載。爲了(le)在逆變器(qì)故障時仍(reng)能向負載(zai)提供能量(liàng),另一路備(bèi)用電源通(tong)過電源轉(zhuǎn)換⛷️開關來(lai)實現。
現代(dài)UPS普遍了采(cǎi)用脈寬調(diào)制技術和(he)功率M0SFET、IGBT等現(xian)代電力電(diàn)子器件,電(dian)源的噪聲(shēng)得以降低(dī),而效率和(he)可靠性得(de)以提高。微(wei)處理器軟(ruan)硬件技術(shu)的引入,可(kě)以實現對(dui)UPS的智能化(huà)管理,進行(háng)遠程維護(hù)和遠程診(zhen)斷。
目前在(zài)線式UPS的最(zuì)大容量已(yi)可作到600kVA。超(chao)小型UPS發展(zhǎn)也很迅速(su),已🐉經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等(deng)多種規格(ge)的産品。
2.5 變(bian)頻器電源(yuán)
變頻器電(diàn)源主要用(yòng)于交流電(diàn)機的變頻(pín)調速,其在(zài)電氣傳✔️動(dong)系統中占(zhan)據的地位(wei)日趨重要(yào),已獲得巨(jù)大的節能(neng)效果。變頻(pin)⭐器電源主(zhǔ)電路均采(cǎi)用交流-直(zhí)流-交流方(fang)案。工頻電(dian)源通過整(zheng)流器變成(cheng)固定的直(zhí)流電壓,然(rán)後由大功(gong)⛹🏻♀️率晶體管(guǎn)或IGBT組成的(de)PWM高頻變換(huan)器, 将直流(liú)電🏃♀️壓逆變(biàn)成電壓、頻(pín)率可變的(de)交流輸出(chu)💔,電源輸出(chu)波🛀形近似(sì)于正弦波(bo),用于驅動(dong)交流異步(bù)電動機實(shi)現無級調(diào)速。
國際上(shang)400kVA以下的變(bian)頻器電源(yuan)系列産品(pin)已經問世(shi)。八十年代(dài)初期🈚,日本(ben)東芝公司(sī)最先将交(jiao)流變頻調(diao)速技術應(yīng)用于空調(diao)器中。至1997年(nian),其占有率(lü)已達到日(rì)本家用空(kong)調的70%以上(shang)。變頻🐪空調(diao)具❓有舒适(shì)、節能等優(yōu)點。國内于(yú)90年代初期(qi)開始研究(jiū)變頻空調(diào),96年引進生(shēng)産線生産(chan)變頻空調(diào)器,逐漸形(xing)成變頻空(kong)調開發生(shēng)産熱點。預(yu)計到2000年左(zuo)右将形成(chéng)高潮。變頻(pín)空調除了(le)變頻電源(yuán)外🌈,還要求(qiú)有适合于(yú)變頻調速(sù)的壓縮機(ji)電🈲機。優化(hua)控制策略(luè),精選功能(néng)組件,是空(kong)調變頻電(dian)源研制的(de)進一步發(fā)展方向。
2.6 高(gāo)頻逆變式(shi)整流焊機(jī)電源
高頻(pin)逆變式整(zheng)流焊機電(diàn)源是一種(zhong)高性能、高(gao)效、省材的(de)新型焊機(ji)電源,代表(biao)了當今焊(han)機電源的(de)發展方向(xiang)。由于IGBT大容(róng)量模🌂塊的(de)商用化,這(zhe)種電源更(gèng)有着廣闊(kuò)的🍓應用前(qian)🔅景。
逆變焊(han)機電源大(da)都采用交(jiāo)流-直流-交(jiao)流-直流(AC-DC-AC-DC)變(biàn)換的方法(fǎ)。50Hz交流電經(jīng)全橋整流(liú)變成直流(liú),IGBT組成的PWM高(gāo)頻變換部(bù)分将直流(liu)電逆變成(chéng)20kHz的高頻矩(jǔ)形波,經高(gāo)頻變壓器(qi)📐耦合, 整流(liu)濾波後成(cheng)爲✏️穩定的(de)直流,供電(dian)弧💁使用。
由(yóu)于焊機電(diàn)源的工作(zuo)條件惡劣(lie),頻繁的處(chù)于短路、燃(ran)弧、開路交(jiao)替變化之(zhi)中,因此高(gāo)頻逆變式(shì)整流焊機(jī)電源的工(gōng)作可靠性(xìng)問題成爲(wei)最關鍵的(de)問題,也🏃🏻♂️是(shì)用戶🐆最關(guan)心的問題(tí)。采用微處(chù)理器做爲(wei)脈沖寬度(dù)調制(PWM)的相(xiang)關控制👌器(qì),通過對多(duō)參數、多信(xìn)息的提取(qu)與分析,達(da)到預知系(xì)統💯各種工(gong)作狀❌态的(de)目的,進而(er)提前對系(xi)統做出調(diao)整和處理(lǐ),解決了目(mu)前大功率(lü)IGBT逆變電源(yuan)可靠性。
國(guo)外逆變焊(hàn)機已可做(zuò)到額定焊(han)接電流300A,負(fu)載持續率(lü)60%,全載🔴電🌈壓(yā)🙇🏻60~75V,電流調節(jie)範圍5~300A,重量(liàng)29kg。
2.7 大功率開(kāi)關型高壓(yā)直流電源(yuan)
大功率開(kai)關型高壓(yā)直流電源(yuán)廣泛應用(yòng)于靜電除(chú)塵、水質♍改(gai)良、醫用X光(guāng)機和CT機等(děng)大型設備(bèi)。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達到(dào)📞0.5A以上,功率(lü)可達100kW。
自從(cong)70年代開始(shǐ),日本的一(yi)些公司開(kāi)始采用逆(nì)變技術,将(jiāng)❓市電整流(liú)後逆變爲(wèi)3kHz左右的中(zhong)頻,然後升(sheng)壓。進入80年(nián)❗代,高頻開(kai)⚽關電源技(ji)術迅速發(fa)展。德國西(xī)門子✏️公司(sī)采用功率(lǜ)晶體管做(zuò)主開關元(yuan)件,将電源(yuán)的開關頻(pin)率提高到(dào)20kHz以上。并将(jiāng)幹式變壓(ya)器技術成(cheng)功的應用(yong)于高頻高(gāo)壓電源,取(qǔ)消了高壓(ya)變壓器油(you)箱,使變壓(yā)器系統的(de)體積進一(yi)步減小。
國(guo)内對靜電(diàn)除塵高壓(yā)直流電源(yuán)進行了研(yán)制,市電經(jing)整流變🐆爲(wèi)直流,采用(yòng)全橋零電(dian)流開關串(chuàn)聯諧振逆(ni)變🐅電路♻️将(jiang)直流電壓(yā)逆變爲高(gāo)頻電壓,然(ran)後由高頻(pín)變壓器升(shēng)壓,最後整(zhěng)流爲直流(liu)高壓。在電(diàn)阻負載條(tiáo)件下,輸出(chū)直流電🐕壓(yā)達到55kV,電流(liu)達到15mA,工作(zuò)頻率爲📐25.6kHz。
2.8 電(diàn)力有源濾(lǜ)波器
傳統(tǒng)的交流-直(zhí)流(AC-DC)變換器(qi)在投運時(shí),将向電網(wǎng)注入大量(liàng)的諧波電(diàn)流,引起諧(xié)波損耗和(hé)幹擾,同時(shí)還出現裝(zhuang)置網側功(gong)率因🎯數惡(è)化的現象(xiang),即所謂“電(diàn)力公害”,例(li)如🍓,不可控(kong)🏃🏻整流加電(dian)容濾波時(shí),網‼️側三次(ci)諧波含量(liang)可達🏃♀️(70~80)%,網側(ce)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力(li)有源濾波(bo)器是一種(zhong)能夠動态(tai)抑制諧波(bo)的新型電(diàn)力電✊子裝(zhuang)置,能克服(fú)傳統LC濾波(bō)器的不足(zu),是一種很(hen)有發展前(qián)途的🏃🏻諧波(bo)抑制手段(duan)。濾波器由(you)橋式開關(guān)功率變換(huàn)器和具🆚體(ti)控制電路(lù)構成。與傳(chuán)統開關電(dian)源的🔴區别(bie)是:(l)不⁉️僅反(fan)饋輸出電(dian)壓,還反饋(kuì)輸入平均(jun)電流; (2)電❓流(liu)環基準信(xin)号爲電壓(ya)環誤差信(xin)号與全波(bo)整流電壓(yā)取樣信号(hao)之乘積。
