电力电子技术的应用

电力电子技术在机械中的应用摘要：电力电子技术正在不断发展，新材料、新结构器件的陆续诞生，计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持，在工业生产中的应用越来越广泛。关键词：普锐斯混合动力系统、直流电动机可逆调速系统数字化一、引言电力电子技术是研究应用电力半导体器件实现电能变换和控制的学科，它是一门由电子、电力半导体器件和控制三者相互交叉而出现的新兴边缘学科。它研究的内容非常广泛，主要包括电力半导体器件、磁性材料、电力电子电路、控制集成电路以及由其组成的电力变换装置。目前，电力电子学研究的主要方向是[1]:（1）电力半导体器件的设计、测试、模型分析、工艺及仿真等；（2）电力开关变换器的电路拓扑、建模、仿真、控制和应用；（3）电力逆变技术及其在电气传动、电力系统等工业领域中的应用等。结合作者机械工程的专业背景，本文将介绍电力电子技术在一般工业领域的应用，以及国内技术在该领域的发展及展望。二、电力电子技术在汽车行业的应用1、简介如今汽车用电源形成了多种电源并存的局面，以便实现汽车的各种功能，其中免不了利用电力电子技术（例如，回波技术，藉能量管理或功率管理的最佳化，高可靠性，利用线控装置的电子控制系统等）。由于PE技术导致了“响应性好”、“软控制的灵活性”、“小型轻量化的操控”、“高的效率”等一系列优越的性能，如今其在汽车领域广泛应用，2、普锐斯驱动系统简介丰田混合动力系统由以下主要结构部件组成：高效率的汽油发动机，动力分离机构，发电机，电动机，逆变器，升压变换器，镍氢电池，以及对这些进行协调控制的系统控制装置。发动机的高效率运转和无级变速功能演示：(1)停车时，发动机停止，发动与轻载运行时仅由电动机驱动EV行驶；(2)加速时，将发电机作为起动机，起动发动机。发动机的功率，藉行星齿轮机构分离成直接驱动力与发电机的驱动力，发电机向电动机供电；(3)急加速时，不仅增加发电机功率，还藉来自蓄电池的功率，以提升电动机的驱动力；(4)正常行驶时，控制发电机和电动机的转速，达到发动机效率最高。同时，按照需要对蓄电池进行充电；(5)减速时，将电动机作为发电机使用，实现能量的回收。3、常用的电子电力技术装置（1）逆变器单元在prius主驱动系统中，电动机和发电机所用三相电压型逆变器（功率分别为50kw和30kw）被集成在一个模块上，直流母线最大供电电压被设定为500v。功率器件选用带有反并联续流二极管的商用igbt（850v/200a），该功率等级的igbt具有足以承受最大500v反压的能力，以及其它诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。功率主回路示意图目前，电动汽车普遍采用pwm控制的电压型逆变器，这种逆变器具有线路简单、效率高的特点，同时pwm逆变器呈现出以下几种发展趋势：a、采用igbt器件，工作频率高，并减少了低频谐波分量和起动时的电流冲击b、电机额定频率相应提高了，扩大了调速范围，在更好地满足运行要求的同时，减少电机的体积和重量，提高功率比。c、采用dsp为核心的计算机控制系统，能够实现可靠的矢量控制和运算，电机可做到快速恒力矩起动及弱磁高速运行，这种控制系统稳定，电流冲击小，控制效率高。（2）dc—dc升压变换器单元在ths中，蓄电池组通过逆变器直接与电机和发电机相连；而在thsii中，蓄电池组输出的电压首先通过dc-dc升压变换器进行升压操作，然后再与逆变器相连，因此逆变器的直流母线电压从原ths的202v提升为现在的500v。priusthsii可变压系统电路结构图priusths与thsii直流供电方式比较这种系统具有如下优点：（1）由于电机的最大输出功率能力是与直流母线电压成正比的，因此与原ths系统的202v供电工况相比，在不增加驱动电流的情况下，thsii系统中电机在500v供电时，其最大输出功率以及转矩的输出能力是原ths系统的2.5倍；此外相同体积的电机，还能够输出更高的功率；（2）由于使用了直流母线供电电压可变系统，因此thsii可以根据电动机和发电机的实际需要，自由的调节直流母线供电电压，从而选择最优的供电电压，达到减少逆变器开关损耗以及电动机铜损的节能目的；（3）对于供电电压一定的蓄电池组来说，由于可以通过调整升压变压器的输出电压的方式，来满足电动机和发电机的实际需要，因此从某种程度上讲，可以减少蓄电池的使用数量，降低整车质量。(3)dc-dc降压变换器单元prius选用了14v蓄电池组作为诸如控制计算机、车灯、制动器等车载电气设备的供电电源，而对该蓄电池的充电工作则由直流202v通过一个dc-dc降压变换器来完成的.14v蓄电池充电用dc-dc变换器三、电力电子技术在其他机械装置中的应用直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等。如今直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：a、常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便。b、动态参数调整方便。c、系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性。d、可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能。e、可采用数字反馈来提高系统的精度。f、：容易与上一级计算机交换信息。g、具有信息存储、数据通信的功能。四、结束语本文结合丰田汽车公司的最新一代混合动力电动汽车，综述了电力电子技术在混合电动汽车中的应用情况，并且以直流电动机的数字化来简略介绍电力电子系统在采矿机械加工等其他工业生产方面的应用。随着电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展，数字化交流驱动系统在商业化电动汽车中和一般工业生产中得到广泛应用，随着人类对生存环境要求的提高，合理利用能源意识的增强，污染小和高效率的现代化工业生产工具，必将得到全面的发展和应用。