现代电力电子及其应用

现代电力电子及其应用摘要：电力电子技术是电气工程的三大领域-电力，电子和控制交叉形成的边缘学科。从1956年贝尔实验室发明第一个晶闸管(scr)开始，真正步入了电力电子技术时代。电力电子技术本身不仅是一项高新技术.而且还是其它多项高新技术发展的基础。其应用从航空航天到家用电器的一切经济和生活领域，是国家工业发展必不可少的专业技术，它将给现代生产和现代生活带来深远的影响。关键词：电力电子技术应用领域发展趋势一、电力电子技术研究的问题电力电子技术是一项利用功率半导体器件，应用现代控制理论，微处理器或计算机控制技术，实现对电能进行控制和变换的技术。这种技术是以尽可能高的效率将一种形式的电压、电流、频、相数的电能变换成另一种形式的电压、电流、频率、相数的电能。它尽可能使用无损耗的磁元件、电容元件和开关工作状态的功率半导体器件，少用或不用损耗性的电阻和线性工作状态的功率半导体，构成开关型高效率的功率处理系统。因此，电力电子技术也是一项高效节能的技术。它与微电子技术中的信号处理系统不同，后者是对输入信息进行处理，完成某种功能。例如，拟放大、数字编码、数/模转换或模/数转换等。为完成这些处理，信号处理系统只需要很少的电功率，系统的效率不是主要的。而电力电子技术的功率处理系统，变换效率是最重要的指标之一，它是强电与弱电的结合点。在电力电子技术的功率处理系统中，磁性元件(电感或变压器等)的重量和尺寸占主要部份。而提高功率半导体器件的开关频率，可使磁隆元件小型轻量化。因此，高频化是电力电子技术的主要发展方向之一。有两种电路方案可供选择:非谐振式和谐振式(包括准谐振式)。前者技术成熟，但开关损耗随频率提高而增加，频率提高有限。这是一个尚在探讨解决中的开关吸收问题。后者则处于发展研究中，原理上没有开关损耗，但目前技术还不成熟，只是在某些中小功率系统中得到初步应用。此外，开关型高效率的电力电子系统是一个非线性的离散时变系统，它的建模、仿真、分析和检测等比较复杂.难度较大。现在还是一个研究热点。仿真软件psplce技术还不成熟，使用时有很大局限性。二、现代电力电子的应用领域1.计算机高效率绿色电源高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星”计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。2.通信用高频开关电源通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(dc/dc)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48v的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器smr)通过mosfet或igbt的高频工作,开关频率一般控制在50-100khz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48v/12.5a、48v/20a扩大到48v/200a、48v/400a。3.直流-直流(dc/dc)变换器dc/dc变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源dc/dc变换器已商品化,模块采用高频pwm技术,开关频率在500khz左右,功率密度为5w~20w/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。4.不间断电源(ups)不间断电源(ups)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。5.高频开关电源的发展趋势。在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。6.高频化理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50hz提高到20khz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。