現代電(diàn)力電子及電2019nv天堂🔞网手机在线🚩源技(jì)術的發展
點擊次(cì)數： 更新時間：2025-12-10
本文(wén)闡述了現代電力(li)電子技術的發展(zhǎn)過程,對電力電🥰子(zi)技♻️術♊的應用領域(yù)進行了描述,論述(shù)了 現代電源技術(shù)的發展趨🐇勢。
現代(dai)電源技術是應用(yòng)電力電子半導體(ti)器件,綜合自動控(kong)制、計算機(微處理(li)器)技術和電磁技(ji)術的多學科邊緣(yuan)交叉技術。在各種(zhǒng)高質量、高效、高可(ke)靠性的電源中起(qi)關鍵作用,是現代(dài)電力電子技術的(de)具 體應用。
當前,電(diàn)力電子作爲節能(néng)、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(pǐn)性能綠色化的方(fāng)向發展。在不遠的(de)将來,電力電子技(jì)術将使電源技術(shu)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(shù)的發展
現代電力(lì)電子技術的發展(zhǎn)方向,是從以低頻(pín)技術處🧑🏽🤝🧑🏻理問題爲(wei)主的傳統電力電(diàn)子學,向以高頻技(jì)術📱處理問題爲主(zhu)的現代電力電子(zǐ)學方向轉變。電力(lì)電子技術起始于(yú)五十年代末☂️六十(shí)年代初的矽整流(liú)器件,其發展先後(hou)經曆了整流器時(shí)代、逆變器時代和(he)變頻器時代,并促(cu)進了電力電子技(jì)術在許多🚩新領域(yù)的應用。八十年代(dài)末期和九十年代(dài)初⁉️期發展起來的(de)🍓、以功率MOSFET和IGBT爲代表(biao)的、集高頻、高壓和(he)大電⁉️流于一身的(de)功率半♻️導體複合(hé)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。
1.1 整流器時(shi)代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流(liú)發電機提供,但是(shì)大約20%的🚶電能是以(yǐ)直流形式消費的(de),其中最典型的是(shi)電解(有🈲色金屬和(he)化工✌️原料需要直(zhi)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(deng))和直流傳動(軋鋼(gāng)、造紙🍉等)三大領域(yu)。大功率矽整流器(qi)能夠高效率地🍉把(bǎ)工頻交流電轉變(biàn)爲直流電,因此在(zai)六十年代和七十(shi)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(nì)變器時代
七十年(nian)代出現了世界範(fàn)圍的能源危機,交(jiao)流電機變頻調速(sù)因節能效果顯著(zhe)而迅速發展。變頻(pin)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(gong)率逆變用的晶閘(zha)管、巨型功率晶體(ti)管(GTR)和門極可關⛹🏻♀️斷(duan)晶閘管(GT0)成爲當時(shi)電力電子器件的(de)主角。類似的應用(yòng)還包括高壓直流(liú)輸出,靜止式無功(gōng)功率動态補償等(děng)。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(fàn)圍内。
1.3 變頻器時代(dai)
進入八十年代,大(da)規模和超大規模(mó)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(quan)控型功率器件、首(shǒu)先是功率M0SFET的問世(shi),導緻了中小功率(lü)電源向高頻化發(fā)🌏展,而後絕緣門極(ji)雙極晶體管(IGBT)的出(chū)現♌,又爲大中型🌈功(gōng)率電源向高頻發(fa)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的(de)相繼問世,是傳統(tong)的電力電子向現(xiàn)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(gōng)率半導體器件市(shì)場上已達到平分(fen)秋色的地步,而用(yòng)IGBT代替GTR在電力電子(zi)領域巳成定論。新(xīn)🚶♀️型器件的發展不(bu)僅爲交流電機變(bian)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(zǐ)💋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(liang)化,機電一體化和(hé)智能化提供了重(zhòng)要的技術基礎。
2. 現(xiàn)代電力電子的應(ying)用領域
2.1 計算機高(gao)效率綠色電源
高(gāo)速發展的計算機(jī)技術帶領人類進(jìn)入了信息社會,同(tong)時也促進了電源(yuán)技術的迅速發展(zhǎn)。八十年代,計算💘機(ji)全面采用了🏃♀️開關(guan)🥰電源,率先完成計(ji)算機電源換代。接(jiē)着開📞關電源技術(shù)相繼進人了電子(zi)、電器設備領域💃🏻。
計(ji)算機技術的發展(zhan),提出綠色電腦和(hé)綠色電源。綠✨色電(dian)腦泛指🔱對環境無(wu)害的個人電腦和(he)相關産品⁉️，綠色電(dian)源系指與綠色電(dian)腦相關的高效省(shěng)電電源,根據美國(guó)環境保護署l992年12月(yuè)10日“能源之星"計劃(huà)規定,桌上型個人(ren)電腦或相關的外(wài)❌圍設備,在睡眠狀(zhuang)态下的耗電量若(ruò)小于30瓦,就‼️符合綠(lü)色電腦的要求,提(tí)高電源效率是降(jiang)低電源消耗💃🏻的根(gēn)本途徑。就目前效(xiao)率爲75%的🧑🏽🤝🧑🏻200瓦開關電(dian)源而言,電源自身(shēn)要消耗50瓦的能源(yuan)。
2.2 通信用高頻開關(guan)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(huà)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(yu)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(kòng)交換機🏒用的一次(ci)電源中,傳統的相(xiàng)控式穩壓電源己(jǐ)被高頻開關電源(yuán)取代,高頻開🛀關電(diàn)源(也稱爲開關型(xing)整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的(de)高頻工作,開關頻(pín)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(gong)率容量不斷擴大(dà),單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuo)大🌍到48V/200A、48V/400A。
因通信設備(bèi)中所用集成電路(lu)的種類繁多,其電(diàn)源電壓也各不相(xiang)同,在通信供電系(xi)統中采用高功率(lü)密度的高頻DC-DC隔💔離(lí)電源模💋塊,從中間(jiān)母線電壓(一般爲(wèi)48V直流)變換成所需(xu)的☀️各種直🔴流電壓(yā),這樣可大大減小(xiǎo)損耗、方便維護,且(qie)安裝、增加非常方(fang)便。一般都可直接(jie)裝在标準控制闆(pan)💜上,對二次電源的(de)要求是❗高功率密(mi)度。因通信容量的(de)不斷增加,通信電(dian)源容量也将不🚶♀️斷(duan)增加。
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(shi)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(kě)節約電能🍉(20~30)%。直流斬(zhǎn)波器不僅能起調(diao)壓的作用(開🚶關電(diàn)源), 同時🌈還能起到(dào)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(kuài)采用高頻PWM技🆚術,開(kai)關頻率在500kHz左右,功(gōng)率密度爲5W~20W/in3。随着大(da)規模集成電路的(de)發展,要求電源模(mo)塊實現小型化,因(yin)此就要🌍不斷提高(gāo)開關頻率和采用(yòng)新的電路拓撲㊙️結(jie)構,目前已有一些(xiē)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(mó)塊,功率密👌度有較(jiao)大幅度的提高。
2.4 不(bú)間斷電源(UPS)
不間斷(duàn)電源(UPS)是計算機、通(tong)信系統以及要求(qiu)提供不💔能中斷場(chǎng)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(chéng)直流,一部分能量(liàng)給🛀蓄電池組充電(dian),另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流(liu),經轉換開關送到(dao)負載。爲了在逆變(biàn)器故障時仍能🔞向(xiàng)負載提供能量,另(ling)一路💛備用電源通(tong)過電源轉換🙇🏻開關(guān)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(yǐ)降低,而效率和可(ke)靠性得以提高。微(wei)處理器軟硬件技(jì)術的引入,可以實(shi)💛現對UPS的智能化管(guan)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(xiǎo)型UPS發展也很迅速(sù),已經🔞有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(gui)格的産品。
2.5 變頻器(qì)電源
變頻器電源(yuán)主要用于交流電(dian)機的變頻調速,其(qi)在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日(ri)趨重要,已獲得巨(jù)大的節能效果。變(biàn)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(diàn)壓,然後由大功率(lǜ)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(diàn)☔壓、頻率可變⭕的交(jiao)流輸出,電源輸出(chu)波形近似于正弦(xián)波,用于驅動交流(liu)異步電動機實現(xiàn)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(chū)期,日本東芝公司(sī)最先将交流變頻(pín)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(you)舒适、節能等優點(dian)。國内于90年代初期(qi)開始研究變頻空(kōng)調,96年引進生産🔞線(xian)生産變頻空調器(qi),逐漸形成變頻空(kōng)調開發生産熱點(dian)。預計到2000年左右将(jiang)形成高潮。變頻空(kong)調除了變頻電源(yuan)外,還要求☂️有适合(hé)于變頻調速的壓(yā)縮機電機。優化控(kong)制策略,精🈲選功能(neng)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(pin)逆變式整流焊機(jī)電源
高頻逆變式(shi)整流焊機電源是(shì)一種高性能、高效(xiao)、省材的新✏️型🌂焊機(jī)電源,代表了當今(jīn)焊機電源的發展(zhǎn)方向。由于✔️IGBT大容量(liàng)模塊的商用化,這(zhe)種電源更有着廣(guang)闊的應用前景。
逆(nì)變焊機電源大都(dou)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(qiáo)整流變成直流,IGBT組(zu)成的PWM高頻變換🌏部(bu)分将直流電逆變(biàn)👅成20kHz的高頻矩形波(bo),經高頻變壓器耦(ou)合, 整㊙️流濾波後成(cheng)爲穩定的直流,供(gong)電弧使用。
由于焊(hàn)機電源的工作條(tiáo)件惡劣,頻繁的處(chu)于短路、燃弧、開路(lu)交替變化之中,因(yin)此高頻逆變式整(zheng)流焊機電源的🐪工(gong)作可靠🚩性問題成(cheng)爲最關鍵的問題(ti),也☂️是用戶最關心(xin)的問題。采用微處(chu)理器做爲脈沖寬(kuan)度調制(PWM)的相關控(kòng)制器,通過對多參(cān)數、多信息的提✉️取(qǔ)與分析,達到預知(zhi)系統各種工作狀(zhuàng)态的目的,進而提(tí)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(wai)逆變焊機已可做(zuo)到額定焊接電流(liu)300A,負載持續🐪率60%,全載(zai)電壓60~75V,電流調節範(fan)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(xíng)高壓直流電源廣(guang)泛應用于靜電除(chú)塵、水質改良、醫用(yong)X光機和CT機等大型(xing)設備。電壓高達50~l59kV,電(dian)流達到0.5A以上,功率(lǜ)可達100kW。
自從70年代開(kāi)始,日本的一些公(gōng)司開始采用逆變(bian)技術⁉️,将市電整流(liu)後逆變爲3kHz左右的(de)中頻,然後升壓。進(jìn)入80年代,高頻開關(guan)電源技術迅速發(fa)展。德國西門子💋公(gong)司采用功率晶體(ti)管🛀🏻做主開關元件(jiàn),将電源的開關頻(pin)率提高到20kHz以上。并(bing)将幹式變壓器技(ji)🥵術成功的應用于(yú)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(bu)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(zhi)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(pín)電壓,然後由高頻(pin)變壓器升壓,最後(hou)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(gōng)作頻率爲25.6kHz。
2.8 電力有(yǒu)源濾波器
傳統的(de)交流-直流(AC-DC)變換器(qì)在投運時,将向電(dian)網注入大量的諧(xie)波電流,引起諧波(bo)損耗和幹擾,同時(shí)還出🈲現裝置網側(ce)功率因🈲數惡🥰化的(de)現象,即所謂“電力(li)公害”,例如✍️,不可控(kong)整流加電容濾波(bō)時,網側三次諧波(bo)含量可達(70~80)%,網側功(gōng)率📞因數僅有0.5~0.6。
電力(li)有源濾波器是一(yī)種能夠動态抑制(zhi)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(fa)展前途的🏃諧波抑(yi)制手段。濾波器由(yóu)橋式開關功率變(biàn)換器和具體控制(zhi)🔴電路構☔成。與傳統(tong)開㊙️關電源的區别(bié)是:(l)不僅反饋輸出(chu)電壓,還反饋輸入(rù)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。
