电源技术的创新与发展.doc

电源技术的创新与发展New Ideas and Development of Power Supply Technologies中国科学院等离子体物理研究所季幼章（合肥230031）1引言人类的经济活动已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是位于市电（单相或三相）与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换与控制相关。电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。电源如今已是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的。2电源技术的创新1947年底晶体管问世，随后不到十年，可控硅整流器（SCR，现称晶闸管）在晶体管渐趋成熟的基础上问世，从而揭开了电源技术长足发展的序幕。半个世纪以来，电源技术的发展不断创新。2.1高频变换是电源技术发展的主流电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变换技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从20kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源，为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来的最直接的好处是降低原材料消耗，电源装置小型化，加快系统的动态反应，进一步提高电源装置的效率，有效抑制环境噪声污染，并使电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围。2.2新理论、新技术的指导谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论；功率因数校正、有源箝位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术，指导了现代电源技术的发展。2.3新器件、新材料的支撑绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、智能IGBT功率模块（IPM）、MOS栅控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件，装备了现代电源技术，促进产品升级换代。2.4控制的智能化控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高了电源设备的可靠性。2.5电源电路的模块化、集成化电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。已经在通讯、电力获得广泛应用，并且派生出新的供电体制分布式供电，使集中供电单一体制走向多元化。2.6电源设备的标准规范电源设备要进入市场，今天的市场已是超越区域融贯全球的一体化市场，必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、质量体系等种种标准规范的认证。3电源技术的发展随着科学技术的发展，对电源技术的要求越来越高，规格品种越来越多，技术难度越来越大，涉及的学术领域也越来越广。特种电源（或称工业电源）应用的对象具有多样性、新颖性和复杂性，要求特种电源设备不仅要保证内在性能的完美，而且要赋于其各式各样特定的外特性以及和外部的接口方式，这就决定了特种电源技术必须兼收并蓄众多学科的精华，融汇各行各业的科技成果。特种电源输入多为交流市电，输出有直流、交流或脉冲形式。3.1交流变频调速器交流变频调速器电源驱动交流异步电动机实现无级调速，已在电气传动中占据越来越重要的地位，并且已获得巨大的节能效果。应用于产业自动化，风机、水泵流量控制，细纱机、捻纱机程序控制，恒压供水可多泵并联，造纸机械变频同步控制。最大功率达500kW。将交流变频调速技术应用于空调器中，具有舒适、节能等优点。3.2电解、电镀电源电解、电镀电源要求稳流、稳压。电解生产需要消耗巨大的直流电能，由大功率整流设备供给，采用晶闸管稳流、有载调压加饱和电抗器稳流方式，最大输出容量3350V，5150kA。脉冲电源用作金属表面电化学过程，输出容量0100V，104000A。逆变式真空离子镀膜电源性能的优劣直接影响镀膜性能的高低。33高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效率、省材料的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为关键问题。额定焊接电流可达500A。多用等离子体切割焊机切割电流达2090A，焊接电流为5320A。34中频感应加热电源中频感应加热电源可广泛应用于各行业的金属熔炼，表面谇火处理以及透热弯管等领域。至今仍主要采用快速或高频晶闸管，频率为50080000Hz，功率为1003000kW，与国外产品相比有一定差距。35电力操作电源电力操作电源是为发电厂、水电站及500kV、220kV、110kV、35kV等各类变电站提供直流的电源设备，包括供给断路器分合闸及二次回路的仪器仪表、继电保护、控制、应急灯光照明等各类低压电器设备用电。最大输出电压315V，最大输出电流120A。36正弦波逆变电源正弦波逆变电源要求高精度稳压、稳频、并要求波形品质。400Hz中频逆变电源三相容量3090kVA，稳压精度2，稳频精度0.1，波形失真小于3，能适应各种负载。同时发展了邮电通讯专用逆变电源，电力系统、发电厂及直流电池屏专用逆变电源，车船载逆变电源，太阳能及风力发电系统专用逆变电源等。37大功率高频高压直流电源大功率高频高压直流电源得到广泛的应用，如工业上用于环保的静电除尘、污水处理、激光器等。医学方面用于X光机、CT等大型设备。科研上用于高能物理、等离子体物理。军事上雷达发射器。最高电压可达800kV。38荧光灯镇流器电子镇流器的核心是一个高频发生器。当荧光灯工作在几千赫的较高频率下，将灯和高频电路匹配，能够较大幅度地提高光效而达到节能目的。功率因数提高到接近1的水平。39动态静止无功补偿装置动态静止无功补偿装置在电压等级、装置容量上不断提高，实现了全数字化计算机控制，我国已在钢厂等企业得到了成功应用，取得了较大的经济效益和社会效益。由上述可见，电源技术的创新，促进电源