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電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行控制和轉換的學科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發(fā)展，電力電子技術由于和現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關，已逐步發(fā)展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術學科。 現代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機（微處理器）技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現代電力電子技術的具 體應用。當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。 當今世界能源消耗增長十分迅速。目前，在所有能源中電力能源約占40%，而電力能源中有40%是經過電力電子設備的轉換才到使用者手中。預計十年后，電力能源中的80%要經過電力電子設備的轉換，電力電子技術在21世紀將起到更大作用。 一．.電力電子技術的發(fā)展歷史 1. 整流器時代 大功率的工業(yè)用電由工頻（50Hz）交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解（有色金屬和化工原料需要直流電解）、牽引（電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等）和直流傳動（軋鋼、造紙等）三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了一股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。 2. 逆變器時代 七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻調速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管（GTR）和門極可關斷晶閘管（GT0）成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。 3. 變頻器時代 進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管（IGBT）的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。 2. 現代電力電子的應用領域 2.1 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人了電子、電器設備領域。 計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合 綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。 2.2 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,實現高效率和小型化。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。 2.3 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（20~30）%。直流斬波器不僅能起調壓的作用（開關電源）, 同時還能起到有效地抑制電網側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5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產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。 2.4 不間斷電源（UPS） 不間斷電源（UPS）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。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。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換開關來實現。 現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,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,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。 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,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產品。 2.5 變頻器電源 變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要,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,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。 國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。 2.6 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。 由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制（PWM）的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。 國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調節(jié)范圍5~300A,重量29kg。 2.7 大功率開關型高壓直流電源 大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。 自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。 國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。 2.8 電力有源濾波器 傳統(tǒng)的交流-直流（AC-DC）變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達（70~80）%,網側功率因數僅有0.5~0.6。 電力有源濾波器是一種能夠動態(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。 二．.現代電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用 1. 發(fā)電環(huán)節(jié) 電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機組的多種設備 ，電力電子備的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。 （l）大型發(fā)電機的靜止勵磁控制 靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式具有結構簡單 、可靠性高及造價低等優(yōu)點，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調節(jié)，給先進的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產生良好控制效果的有利條件。 ?。?）水力、風力發(fā) 電機的變速恒頻勵磁 水力發(fā)電的有效功率取決干水頭壓力和流量，當水頭的變化幅度較大時 （尤其是抽水蓄能機組） ，機組的最佳轉速便隨之發(fā)生變化。風力發(fā)電的有效功率與風速的三次方成正比，風車捕捉最大風能的轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過調整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。 （3）發(fā)電廠風機水泵的變頻調速 發(fā)電廠的廠用電率平均為 8％，風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的6 5％且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實施風機水泵的變頻調速，可以達到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟，國內外有眾多的生產廠家，并不完整的系列產品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產能力的企業(yè)不多，國內有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。 2. 輸電環(huán)節(jié) 電力電子器件應用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改 善了電力網的穩(wěn)定運行特性。 （1）直流輸電 （ HVDC）和輕型直流輸電（ HVDC L i g ht ）技術 直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調節(jié)靈活等優(yōu)點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。l 9 7 0年世界上第一項晶閘管換流器，標志著電力電子技術正式應用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。 （2）柔性交流輸電 （ FACTS）技術 FA CTs技術的概念問世20世紀8 0 年代后期，是一項基于電力電子技術與現代控制技術對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓 及相位實施靈活快速調節(jié)的輸電技術，可實現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。20世紀9 0年代以來，國外在研究開發(fā)的基礎上開始將FA CTS技術用于實際電力系統(tǒng)工程。其輸出無功的大小，設備結構簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應用。 3. 配電環(huán)節(jié) 配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓、頻率 、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統(tǒng)中的應用，即用戶電力 （ Cu s t o m Po we r ） 技術或DFACTS技術，是在F ACTS各項成熟技術的基礎上發(fā)展起來的電能質量控制新技術。可以DFACTS設備理解為F AC TS 設備的縮小版，其原理、結構均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場介入相對容易，開發(fā)投入和生產成本相對較低，隨著 電力電子器件價格的不斷降低，可以預期D F A C TS設備產品將進入快速發(fā)展期。 三．電力電子技術的發(fā)展展望 1. 新型電力電子器件 在用新型半導體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級。碳化硅與其它半導體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點：高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度，低的介電常數，以及高的熱導率。上述這些優(yōu)異的物理特性，決定了碳化硅在高溫、高頻率、高功率的應用場合下是極為理想的半導體材料。在同樣的耐壓和電流水平下，SiC器件的漂移區(qū)電阻僅為硅器件的1/200，即使高耐壓的SiC場效應管的導通壓降，也比單極型、雙極型硅器件的低得多。而且，SiC器件的開關時間可達10ns量級，并具有十分優(yōu)越的FBSOA。SiC可以用來制造射頻和微波功率器件、各種高頻整流器、MESFETs、MOSFETs和JFETs等。SiC高頻功率器件已在Motorola開發(fā)成功，并應用于微波和射頻裝置。GE公司正在開發(fā)SiC功率器件和高溫器件（包括用于噴氣式引擎的傳感器）。西屋公司已經制造出了在26GHz頻率下工作的甚高頻的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高電壓的SiC整流器和其它SiC低頻功率器件，用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。理論分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件?？梢灶A見，各種SiC器件的研究與開發(fā)，必將成為功率器件研究領域的主要潮流之一?？墒?，SiC材料和功率器件的機理、理論、制造工藝均有大量問題需要解決，它們要真正給電力電子技術領域帶來又一次革命，估計還需要至少10年左右的時間。 2. 新能源 電力電子技術在新能源發(fā)電技術和電能質量控制技術及節(jié)能技術方面有很廣闊的發(fā)展間。其中風力發(fā)電和太陽能發(fā)電最受關注，而電力電子技術正是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的核心技術之一，這給電力電子工程師提供了千載難逢的發(fā)展機遇 ，廣大 電力電子工程師務可以住這一機遇乘勢而上，促進電力電子技術的發(fā)展。同時，由于一方面電力電子裝置和電弧爐等裝置的的大量應用，使得電能質量日益下降，另一方面用 戶對電能質量的要求越來越高人們對以有源電力濾波器為代表的電能質量控制裝置日益重視，研究開發(fā)越來越多。此外，由于電力系統(tǒng)電動機（約占發(fā)電量的6 0 ％ 以上 ） 和照明電源（ 約占發(fā)電量的 1 0～1 5 ％的大量采用，電力電子裝置對無功功率和電力諧波都可有很好的補償作用，因此，電力電子技術被稱為節(jié)能的技術。目前，由于化石能源日漸枯竭，因此 ，電力電子技術在節(jié)能方面受到很大程度的重視，并且發(fā)展十分迅速。 |
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來自： 百眼通 > 《03電子電氣技術-699》
