本文闡述(shù)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(dài)電源👌技術的發(fa)展趨勢。
現代電(dian)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(shu)和電磁技術的(de)多學科邊緣交(jiao)叉♊技術。在各種(zhǒng)高質量、高效、高(gāo)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(ti)應用。
當前,電力(lì)電子作爲節能(néng)、節才、自動化、智(zhì)能化、機電一體(ti)化🈲的基礎,正朝(chao)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(fāng)向發展。在不遠(yuan)的将來,電力電(diàn)子技❤️術将使電(diàn)源技術更加成(chéng)熟、經 濟、實用,實(shí)現高🏃♀️效率和高(gāo)品質用電🌏相結(jié)合。
1. 電力電子技(jì)術的發展
現代(dai)電力電子技術(shù)的發展方向,是(shi)從以低頻技術(shu)處理問題🔴爲主(zhǔ)的傳統電力電(dian)子學,向以高頻(pin)技術處理問題(ti)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(shi)年🐉代初的矽整(zhěng)流器件,其發展(zhan)先後經曆了整(zheng)㊙️流器時代、逆變(biàn)器時代和變頻(pín)器時代,并促進(jin)了電力電子技(jì)術在許多🧑🏽🤝🧑🏻新領(ling)域的應用。八十(shi)年代末期和九(jiu)十年代初⭐期發(fā)🌍展起來的、以功(gōng)率MOSFET和IGBT爲代表的(de)、集高頻、高壓和(hé)大電流于一身(shēn)的功率半🌍導體(tǐ)複合器件,表明(ming)傳統電力電子(zǐ)技術已經進入(ru)現代電力電子(zi)時代。
1.1 整流器時(shi)代
1.2 逆(ni)變器時代
七十(shí)年代出現了世(shì)界範圍的能源(yuan)危機,交流電機(ji)變頻調✍️速因節(jiē)能效果顯著而(ér)迅速發展。變頻(pín)調速🤟的關鍵技(jì)術是将直流電(diàn)逆變爲0~100Hz的交流(liú)電。在七十年代(dai)到八十年代,随(suí)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(lì)電子器件的主(zhǔ)角。類似的應用(yong)還包括高壓直(zhi)流輸出,靜止式(shì)無功功率動态(tài)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(dī),僅局限在中低(dī)頻範圍内。
1.3 變頻(pin)器時代
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(xian)代電力電子技(jì)術的發展奠定(ding)了🍉基礎。将集成(chéng)電路技術的精(jīng)細加工技術和(hé)高壓大電流技(ji)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(gōng)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(mén)極雙極晶體管(guan)(IGBT)的出現🏃♀️,又爲大(da)中型功🈚率電源(yuán)向高頻發展帶(dài)來機遇。MOSFET和IGBT的相(xiàng)繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向(xiàng)現代電力電子(zi)轉化的标志。據(jù)統計,到㊙️1995年底,功(gong)率M0SFET和GTR在功☎️率半(ban)導體器件市場(chǎng)上🔅已達到平分(fen)秋色的地步,而(er)用IGBT代替GTR在電💜力(li)電子領域巳成(cheng)定論。新型器件(jian)的發展💚不僅爲(wèi)交流電機變頻(pin)調速提供了較(jiào)高的頻率,使其(qi)性能更🛀🏻加完善(shan)可靠,而且使現(xiàn)代🚩電子技🛀術不(bú)斷向高頻化發(fa)展,爲用🐆電設備(bèi)的高效節材節(jiē)能,實🐆現🏃小型輕(qīng)量化,機電一體(ti)化和智能化提(ti)供了重要的技(ji)術基礎。
2. 現代電(diàn)力電子的應用(yòng)領域
2.1 計算機高(gao)效率綠色電源(yuan)
高速發展的計(jì)算機技術帶領(lǐng)人類進入了信(xìn)息社會,同♌時也(yě)👨❤️👨促進了電源技(jì)術的迅速發展(zhan)。八十年代🚶,計算(suan)機全面采用了(le)開關電源,率先(xian)完成計算機電(diàn)源換代🛀🏻。接着開(kāi)關電源技術相(xiang)繼進人了電子(zi)、電器設備領域(yù)。
2.2 通信用高頻開(kāi)關電源
通信業(yè)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(xiàn)代通信供電系(xi)統的主流。在通(tong)信領域中,通常(cháng)将整流器稱爲(wèi)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(dian)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(pin)開關電源取代(dài),高頻開關電源(yuán)(也稱爲開關型(xing)整☔流♈器SMR)通過MOSFET或(huò)IGBT的高頻工作,開(kai)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(kuò)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(yòng)集成電路的種(zhong)類繁多,其電源(yuan)電壓♍也㊙️各不相(xiàng)同,在通信供電(diàn)系統中采用高(gāo)功率💁密度⭕的高(gao)頻DC-DC隔離電源模(mo)塊,從中間母線(xiàn)電壓(一般爲48V直(zhí)流)變換成所需(xu)的各種直🏃🏻♂️流電(diàn)壓,這樣可大大(da)減小損耗、方便(biàn)維護,且安裝、增(zēng)加非常方便。一(yī)般都🌈可直接裝(zhuang)在‼️标準控制闆(pǎn)上,對二次電💃源(yuán)的要求是⛷️高功(gong)率密度。因通信(xin)容量的不🍉斷增(zēng)加,通信電源容(róng)量也将不✌️斷增(zēng)加⛱️。
DC/DC變換器将(jiang)一個固定的直(zhi)流電壓變換爲(wèi)可變的直✏️流電(diàn)壓,這種技術被(bei)廣泛應用于無(wú)軌電車、地鐵列(liè)🐇車、電動車的無(wú)級變速和控制(zhì),同時使上述控(kòng)制獲得加速💔平(ping)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(zhǎn)波器代替變阻(zǔ)器可節約電能(néng)(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(dào)有效地抑制電(dian)網側諧波電流(liú)噪聲的作用。
通(tōng)信電源的二次(ci)電源DC/DC變換器已(yǐ)商品化,模塊采(cai)用👌高💋頻PWM技🙇♀️術,開(kai)關頻率在500kHz左右(yòu),功率密度爲5W~20W/in3。随(sui)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(cǐ)就要不斷提高(gao)開關頻率和采(cai)用新的電路拓(tuo)撲結構,目前已(yi)有一些公司研(yán)制生産了采🏃用(yong)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(du)有較大幅度的(de)提高。
現代UPS普遍了采(cai)用脈寬調制技(ji)術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器(qì)件,電源的噪聲(shēng)得以降低,而效(xiào)率和可靠性得(dé)以提高。微處理(lǐ)器軟👌硬件技術(shu)的引入,可以實(shi)現對UPS的智能化(huà)❤️管理,進行遠程(cheng)維護和😍遠程診(zhěn)斷。
目前在線式(shi)UPS的最大容量已(yi)可作到600kVA。超小型(xing)UPS發展也很❗迅速(sù),已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種(zhong)規格的産品。
2.5 變(biàn)頻器電源
國際上(shang)400kVA以下的變頻器(qi)電源系列産品(pǐn)已經問世。八十(shí)年代初期🔱,日本(běn)東芝公司最先(xian)将交流變頻調(diao)速技術應用于(yú)空調器中。至㊙️1997年(nian),其占有率已達(da)到日本家用空(kōng)調的70%以上。變頻(pín)空調具有舒适(shi)、節能等優點✂️。國(guó)内于90年代初期(qī)開始研究變頻(pin)空調,96年引進生(sheng)産線生産變頻(pín)空調器,逐漸形(xing)成變頻空調開(kāi)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(qiu)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(fang)向。
2.6 高頻逆變式(shì)整流焊機電源(yuán)
高頻逆變式整(zheng)流焊機電源是(shì)一種高性能、高(gao)效、省材的新型(xíng)焊機電源,代表(biao)了當今焊機電(dian)源的發展方向(xiang)。由于IGBT大容量模(mo)塊的商用化,這(zhe)種電源更有着(zhe)💜廣闊的應用前(qián)景。
逆變焊機電(diàn)源大都采用交(jiāo)流-直流-交流-直(zhí)流(AC-DC-AC-DC)變換的方✊法(fǎ)👈。50Hz交🔞流電經全橋(qiáo)整流變成直流(liu),IGBT組成的PWM高頻👌變(biàn)換部分将直💁流(liú)電逆變成20kHz的高(gao)頻矩形波,經高(gāo)頻變壓器耦合(hé), 整㊙️流濾波後成(chéng)爲穩定的直流(liu),供電弧使用。
由(you)于焊機電源的(de)工作條件惡劣(lie),頻繁的處于短(duan)路、燃弧、開路交(jiao)替變化之中,因(yīn)此高頻逆變式(shi)整流焊機電源(yuan)的工作可靠性(xing)問題成爲最關(guān)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(xìn)息的提取與分(fen)析,達到預知系(xì)統各種工作狀(zhuang)⚽态的目的,進而(ér)提前對系統做(zuo)出調整和處理(li),解決了目前大(dà)功率IGBT逆變電源(yuán)可靠性。
國外逆(ni)變焊機已可做(zuò)到額定焊接電(diàn)流300A,負載持續☀️率(lü)🐉60%,全載㊙️電壓💛60~75V,電流(liu)調節範圍5~300A,重量(liàng)29kg。
2.7 大功率開關型(xing)高壓直流電源(yuán)
自從70年代(dài)開始,日本的一(yī)些公司開始采(cǎi)用逆變技術,将(jiāng)市電整流後逆(nì)變爲3kHz左右的中(zhong)頻,然後升壓。進(jìn)入80年代,高頻開(kāi)關電源技術迅(xun)速發展。德國西(xī)門子公司采☂️用(yong)功率晶體管🌍做(zuo)主開關元件,将(jiāng)電源的開關頻(pin)率提高到20kHz以上(shàng)。并将幹式變壓(ya)器技🐕術成功的(de)應用于高頻高(gao)壓電源,取消了(le)高壓變📐壓器油(you)箱,使變壓器系(xi)統的體積進一(yī)步減小。
國内對(dui)靜電除塵高壓(yā)直流電源進行(hang)了研制,市電🏒經(jing)整流變爲直流(liú),采用全橋零電(dian)流開關串聯諧(xié)振逆變電路将(jiang)直流電🔞壓逆變(biàn)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。
傳統的交(jiāo)流-直流(AC-DC)變換器(qi)在投運時,将向(xiàng)電網注入大❗量(liang)❤️的諧波電流,引(yin)起諧波損耗和(hé)幹擾,同時還出(chu)現裝置網側功(gong)☎️率因數惡化的(de)現象,即所謂“電(dian)力公害”,例如,不(bú)可控整流加電(diàn)容濾波時,網側(cè)三次諧波含量(liang)可達(70~80)%,網側功率(lǜ)因數僅有🍓0.5~0.6。
電力(lì)有源濾波器是(shì)一種能夠動态(tai)抑制諧波的新(xīn)型電力🈲電子裝(zhuang)置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足(zu),是一種很有發(fa)展前途的諧波(bo)抑制手段。濾波(bo)器由橋式開關(guan)功率變換器和(he)具體控制電路(lù)構成。與傳統開(kāi)關電源的區别(bié)是:(l)不僅反饋輸(shu)出電壓,還反饋(kui)輸入平均電流(liu); (2)電♌流環基準信(xin)号爲電壓環誤(wu)差信号與🈲全波(bō)整流電壓取樣(yàng)信号之乘積。
