了解關于電力電子技術的發(fā)展

1、電力電子技術 電氣131 楊昊東 班號：10 一卡通號2420132710總論：電力電子技術分為電力電子器件制造技術和變流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。電力電子學（Power Electronics）這一名稱是在上世紀60年代出現(xiàn)的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受?！半娏﹄娮訉W”和“電力電子技術”是分別從學術和工程技術2個不同的角度來稱呼的。電力電子技術的主要應用概況：電力電子技術以實現(xiàn)功率變換為主，傳遞的是電能，微電子技術則以實現(xiàn)信號變換為主，傳遞的是信

2、息。如果說微電子技術是弱電電子的話，電力電子技術則是強電電子是現(xiàn)代工業(yè)電子。電力電子技術的應用貫穿在電能的獲取、傳輸、變換和利用的幾乎每個環(huán)節(jié)，將在新世紀發(fā)揮越來越重要的作用。概括地說，電力電子技術就是在采用電力半導體器件實現(xiàn)各種頻率變換的基礎上，完成運動控制（Motion Control）和功率變換（Power Conversion），提供各種變頻器和功率控制電源。一、現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變

3、器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。石墨烯石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。它具有整數(shù)量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，因此被電力行業(yè)寄予厚望。石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示

4、屏的發(fā)展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。另一方面，新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。之前美國麻省理工學院已成功研制出表面附有石墨烯納米圖層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數(shù)碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業(yè)的應用鋪就了道路。由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優(yōu)勢也是極為突出的。前不久美國NASA開發(fā)出應用于航天領域的石墨烯傳感器

5、，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發(fā)揮更重要的作用。交流調(diào)速隨著電力電子、計算機技術的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為發(fā)展趨勢。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟、制動性能被國內(nèi)外公認為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻技術是交流調(diào)速的核心技術，電力電子和計算機技術又是變頻技術的核心，而電力電子器件是電力電子技術的基礎。電力電子技術是近幾年迅速發(fā)展的一種高新技術，廣泛應用于機電一體化、電機傳動、航空航天等領域，已成為各國競相發(fā)展的一種高新技術。計算機高效率綠色電源高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會，同時也促進了電源技

6、術的迅速發(fā)展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進入了電子、電器設備領域。通信用高頻開關電源通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi)，實現(xiàn)高效

7、率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。因通信設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。直流-直流(DC/DC)變換器DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列

8、車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(2030)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關電源)，同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實現(xiàn)小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。不間斷電源(UPS)UPS緊急供電系統(tǒng)是電

9、力自動化系統(tǒng)安全可靠運行的根本保證，是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源?，F(xiàn)代UPS普遍采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,降低了電源的噪聲,提高了效率和可靠性。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉(zhuǎn)換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關來實現(xiàn)?，F(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入，可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理，進行遠程維

10、護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速，已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。變頻器電源變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。高頻逆變式整流焊機電源高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電

11、源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合，整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。電力有源濾波器傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時，網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(7080)%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.50.6。電力有源濾波器是一種能

12、夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是：（1）不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流；（2）電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。分布式開關電源供電系統(tǒng)分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結(jié)合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航

13、天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領域也有廣闊的應用前景。高頻開關電源的發(fā)展趨勢在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊

14、機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術?，F(xiàn)代電力電子技術是開關電源技術發(fā)展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在高壓直流輸電(HVDC)方面的應用直流輸電在技術方面有許多優(yōu)點：(1)不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián);(2)可以限制短路電流;(3)沒有電容充電電流;(4)線路有功損耗小;(5)輸送相同功率時，線路造價低;(6)調(diào)節(jié)速度快，運行可靠;(7)適宜于海下輸電。隨著大功率電子器件(如：可關斷的晶閘管、MOS控制的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等)開斷能力不斷提高，新的大功率電力電

15、子器件的出現(xiàn)和投入應用，高壓直流輸電設備的性能必將進一步得以改善，設備結(jié)構得以簡化，從而減少換流站的占地面積、降低工程造價。在柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的應用20世紀80年代中期，美國電力科學研究院(EPRI)N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流輸電技術的概念。近年來柔性交流輸電技術在世界上發(fā)展迅速，已被國內(nèi)外一些權威的輸電工作者預測確定為“未來輸電系統(tǒng)新時代的三項支持技術(柔性輸電技術、先進的控制中心技術和綜合自動化技術)之一”?，F(xiàn)代電力電子技術、控制理論和通訊技術的發(fā)展為FACTS的發(fā)展提供了條件。采用IGBT等可關斷器件組成的FACTS元件可以快速、平滑地調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，從

16、而靈活、迅速地改變系統(tǒng)的潮流分布。在電力諧波治理方面的應用有源濾波是治理日益嚴重的電力系統(tǒng)諧波的最理想方法之一。有源濾波器的概念最早是在20世紀70年代初提出來的，即利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而實現(xiàn)實時補償諧波電流的目的。隨著中國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，使用以瞬時無功功率理論為理論基礎的有源濾波器進行諧波治理將會有巨大的市場潛力。二、電力電子器件的發(fā)展水平(1) 優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工

17、造紙、工業(yè)窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應用電力電子技術是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達10%-40%，我國已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應用項目。 (2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達國家預測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機電設備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關，特別是，電力電子技術是弱電控制強電的媒體，是機電設備與計算機之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機作用的保證和基礎。 (3) 電力電子技術高頻化和變頻技術的發(fā)

18、展，將使機電設備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實現(xiàn)最佳工作效率，將使機電設備的體積減小幾倍、幾十倍，響應速度達到高速化，并能適應任何基準信號，實現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。 (4) 電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術與電力電子技術一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術的重大改革。有人甚至提出，電子學的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設備和電網(wǎng)為對象的電子技術應用領域，電力電子技術將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。三、電力電子器件的發(fā)展歷程20世紀50年代，電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。1957年，美國人R.A.約克制成實用的晶閘管。50年代末晶閘管被

19、用于電力電子裝置，60年代以來得到迅速推廣,并開發(fā)出一系列派生器件,拓展了電力電子技術的應用領域。 電力電子電路 隨著晶閘管應用的推廣，開發(fā)出許多電力電子電路，按其功能可分為：將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能的整流電路；將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的逆變電路；將一種形式的交流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的交流電能的交流變換電路；將一種形式的直流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的直流電能的直流變換電路。這些電路都包含晶閘管，而每個晶閘管都需要相應的觸發(fā)器。于是配合這些電力電子電路出現(xiàn)了許多的觸發(fā)控制電路。根據(jù)所用的器件,這些控制電路大體上可以分為3代。第一代的控制電路主要由分立的電子元件（如晶體管、二極管）組成。直到80年代后

20、期，還用得不少。第二代由集成電路組成。自從1958年美國出現(xiàn)了世界上第一個集成電路以來，發(fā)展異常迅速。它應用到電力電子裝置的控制電路中,使其結(jié)構緊湊,功能和可靠性得到提高。第三代由微機進行控制。70年代以來，由于微機的發(fā)展使電力電子裝置進一步朝實現(xiàn)智能化的方向進步。 電力電子裝置 隨著電力電子電路的發(fā)展和完善，由晶閘管組成的許多類型的電力電子裝置不斷出現(xiàn)。如大功率的電解電源、焊接電源、電鍍用的直流電源；直流和交流牽引、直流傳動、交流串級調(diào)速、變頻調(diào)速等傳動用電源；勵磁、無功靜止補償、諧波補償?shù)入娏ο到y(tǒng)用的電力電子裝置；低頻、中頻、高頻電源等各種非工頻電源，尤其是感應加熱的中高頻電源；不停電電源

21、、交流穩(wěn)壓電源等各種工業(yè)用電力電子電源；各種調(diào)壓器等等。這些電力電子裝置,與傳統(tǒng)的電動機-發(fā)電機組比，有較高的電效率(以容量10千瓦至數(shù)百千瓦、頻率為1000赫的電動機-發(fā)電機組為例,在額定負載下,效率80，并隨負載減小而顯著降低,若用晶閘管電源,92,且隨負載變化不大），因此，有明顯的節(jié)能效果。電力電子裝置是靜止式裝置，占地面積小，重量輕，安裝方便（以焊接電源為例,與旋轉(zhuǎn)焊機相比，重量減輕80,節(jié)能15）。同時，電力電子裝置往往對頻率、電壓等的調(diào)節(jié)比較容易，響應快，功能多，自動化程度高，因此用于工業(yè)上不但明顯節(jié)能，還往往能提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省原材料，并常能改善工作環(huán)境。但電力電子裝置大多為電子開關式裝置，它往往對電網(wǎng)和負載產(chǎn)生諧波干擾，有時還對周圍環(huán)境引起一定的高頻干擾，這是在設計這些裝置和系統(tǒng)時必須妥善解決的。從20世紀50年代中到70年代末，以大功率硅二極管、雙極型功率晶體管和晶閘管應用為基礎（尤其是晶閘管）的電力電子技術發(fā)展比較成熟。70年代末以來，兩個方面的發(fā)展對電力電子技術引起了巨大的沖擊。其一為微機的發(fā)展對電力電子裝置的控制系統(tǒng)、故障檢測、信息處理等起了重大作用