现代电力电子及其应用

1、现代电力电子及其应用摘要：电力电子技术是电气工程的三大领域-电力，电子和控制交叉形成的边缘学科。从1956年贝尔实验室发明第一个晶闸管(scr)开始，真正步入了电力电子技术时代。电力电子技术本身不仅是一项高新技术.而且还是其它多项高新技术发展的基础。其应用从航空航天到家用电器的一切经济和生活领域，是国家工业发展必不可少的专业技术，它将给现代生产和现代生活带来深远的影响。关键词：电力电子技术应用领域发展趋势一、电力电子技术研究的问题电力电子技术是一项利用功率半导体器件，应用现代控制理论，微处理器或计算机控制技术，实现对电能进行控制和变换的技术。这种技术是以尽可能高的效率将一种形式的电压、电流、频

2、、相数的电能变换成另一种形式的电压、电流、频率、相数的电能。它尽可能使用无损耗的磁元件、电容元件和开关工作状态的功率半导体器件，少用或不用损耗性的电阻和线性工作状态的功率半导体，构成开关型高效率的功率处理系统。因此，电力电子技术也是一项高效节能的技术。它与微电子技术中的信号处理系统不同，后者是对输入信息进行处理，完成某种功能。例如，拟放大、数字编码、数/模转换或模/数转换等。为完成这些处理，信号处理系统只需要很少的电功率，系统的效率不是主要的。而电力电子技术的功率处理系统，变换效率是最重要的指标之一，它是强电与弱电的结合点。在电力电子技术的功率处理系统中，磁性元件(电感或变压器等)的重量和尺寸

3、占主要部份。而提高功率半导体器件的开关频率，可使磁隆元件小型轻量化。因此，高频化是电力电子技术的主要发展方向之一。有两种电路方案可供选择:非谐振式和谐振式(包括准谐振式)。前者技术成熟，但开关损耗随频率提高而增加，频率提高有限。这是一个尚在探讨解决中的开关吸收问题。后者则处于发展研究中，原理上没有开关损耗，但目前技术还不成熟，只是在某些中小功率系统中得到初步应用。此外，开关型高效率的电力电子系统是一个非线性的离散时变系统，它的建模、仿真、分析和检测等比较复杂.难度较大。现在还是一个研究热点。仿真软件psplce技术还不成熟，使用时有很大局限性。二、现代电力电子的应用领域1.计算机高效率绿色电源

4、高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品,绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星”计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。2.通信用高频开关电源通信业的迅速

5、发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(dc/dc)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48v的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器smr)通过mosfet或igbt的高频工作,开关频率一般控制在50-100khz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48v/12.5a、48v/20a扩大到48v/200a、48v/400a。3.直流-直

6、流(dc/dc)变换器dc/dc变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源dc/dc变换器已商品化,模块采用高频pwm技术,开关频率在500khz左右,功率密度为5w20w/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产

7、了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。4.不间断电源(ups)不间断电源(ups)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。5.高频开关电源的发展趋势。在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、

8、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。6.高频化理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50hz提高到20khz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也