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現(xian)代電源技(ji)術是應用(yòng)電力電子(zǐ)半導體器(qi)件,綜合自(zi)動控制♌、計(jì)算機(微處(chù)理器)技術(shu)和電磁技(ji)術的多學(xué)科🐉邊緣交(jiao)叉技術。在(zài)各種高質(zhì)量、高效、高(gao)可靠性的(de)電源中起(qi)關鍵作用(yong)💋,是現代電(diàn)力電子技(jì)術的具 體(ti)應用。
當前(qián),電力電子(zi)作爲節能(néng)、節才、自動(dòng)化、智能化(huà)、機電一體(ti)化的基礎(chǔ),正朝着應(yīng)用技術高(gāo)頻化、硬件(jiàn)結構模塊(kuai)化、産品性(xing)能綠色化(hua)的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的将來,電(dian)力電子技(jì)術将使電(dian)源技術更(gèng)加成熟、經(jīng) 濟、實用,實(shí)現高效率(lǜ)和高♉品質(zhi)用電✊相結(jie)合。
現代(dai)電力電子(zǐ)技術的發(fā)展方向,是(shi)從以低頻(pin)技術處理(li)👄問♻️題爲主(zhǔ)的傳統電(dian)力電子學(xue),向以高頻(pin)技術處理(lǐ)問題爲主(zhǔ)的現代電(dian)力電子學(xué)方向轉變(biàn)。電力電子(zǐ)技術起始(shǐ)于五十年(nián)代末🔴六十(shi)年代初的(de)矽整流器(qi)件,其㊙️發展(zhǎn)先後🔆經曆(lì)了整流器(qì)時代、逆變(bian)器時代和(hé)變頻器時(shí)代,并促進(jin)了電力電(dian)子技術在(zai)許多👌新領(lǐng)域的應用(yòng)。八十年代(dài)末期和九(jiǔ)十年代初(chū)期發🐉展起(qǐ)來的、以功(gong)率🚩MOSFET和IGBT爲代(dài)表的、集高(gao)頻、高壓和(he)大電流于(yu)一身的功(gōng)率半導體(ti)複合器件(jian),表明傳統(tǒng)電力電子(zǐ)技術已經(jīng)進入現代(dai)電力💜電子(zǐ)時代。
大(da)功率的工(gong)業用電由(yóu)工頻(50Hz)交流(liu)發電機提(tí)供,但是大(da)約20%的電能(neng)是以直流(liú)形式消費(fei)的,其中最(zuì)典型的是(shì)電解(有色(sè)金屬和化(huà)工原料需(xū)要直流電(diàn)解)、牽引(電(dian)氣機車、電(diàn)傳動的内(nei)燃機車、地(di)鐵機車、城(cheng)市無軌電(dian)車等)和直(zhí)流傳動(軋(zhá)鋼、造紙等(děng))三大領域(yù)。大功率矽(xi)整流器能(neng)夠高效率(lǜ)地把工頻(pin)交流電轉(zhuǎn)變爲直🧡流(liu)電,因此在(zài)六十年代(dai)和七十年(nian)代,大功率(lǜ)矽整流管(guan)和晶閘管(guǎn)的開🏃🏻♂️發與(yu)應用得以(yǐ)很大發展(zhan)。當時國内(nei)🧑🏾🤝🧑🏼曾經掀起(qǐ)了一股各(gè)地大辦矽(xi)整流器廠(chǎng)的熱潮,目(mu)前全國大(da)大小小的(de)制造矽整(zheng)流器的半(bàn)導體廠家(jia)就是那時(shi)的産物。
1.2 逆(ni)變器時代(dài)
七十年代(dai)出現了世(shi)界範圍的(de)能源危機(ji),交流電機(ji)變頻調速(su)因節能效(xiao)果顯著而(ér)迅速發展(zhan)。變頻調速(sù)的關☔鍵技(jì)術是将直(zhi)流電逆變(bian)爲0~100Hz的交流(liu)電。在七十(shi)年代到八(ba)十年🏒代,随(suí)着變頻調(diào)速裝置的(de)普及,大功(gōng)率逆變用(yong)的晶閘管(guǎn)、巨型功率(lǜ)晶體管(GTR)和(he)門極可關(guan)斷晶閘管(guǎn)(GT0)成爲當時(shí)電力電子(zi)器件的主(zhu)角。類似的(de)應用還包(bāo)括高壓直(zhí)流輸出,靜(jing)止式無功(gōng)功率動态(tai)補償等。這(zhe)🧑🏾🤝🧑🏼時的電🤩力(li)電子技術(shu)已經能夠(gòu)實現整流(liú)🐇和逆變,但(dàn)工作頻率(lǜ)⭐較低,僅局(ju)限在中🈚低(dī)頻範圍内(nei)🈲。
1.3 變頻器時(shí)代
進入八(bā)十年代,大(dà)規模和超(chao)大規模集(jí)成電路技(jì)術的迅🈲猛(meng)發展,爲現(xiàn)代電力電(dian)子技術的(de)發展奠定(dìng)了基礎。将(jiāng)集成電路(lù)技術的精(jing)細加工技(ji)術和高壓(ya)大電流技(jì)術有機結(jie)合,出現了(le)一批全新(xin)的全控型(xing)功率器件(jian)、首先是功(gong)率M0SFET的問世(shi),導緻了中(zhong)小功率電(dian)源🌈向高頻(pín)化發展,而(ér)後絕緣門(men)極雙極晶(jing)體管(IGBT)的出(chu)現,又爲大(da)中型🥰功🔴率(lü)電源向高(gao)頻發展帶(dai)來機遇。MOSFET和(he)IGBT的相繼問(wen)世,是傳統(tong)🙇🏻的電力電(dian)子向現代(dai)電力電子(zǐ)轉化的标(biao)志。據統計(jì),到☁️1995年底,功(gong)率M0SFET和GTR在功(gōng)💞率半導體(tǐ)器件市場(chang)上已達到(dao)平分秋色(se)的地步,而(er)用IGBT代替GTR在(zài)電❄️力電子(zǐ)領域巳成(chéng)📧定論。新型(xing)器件的發(fa)展不僅爲(wèi)交🌏流電機(jī)變頻調速(su)提供了較(jiao)✊高的頻率(lǜ),使其性能(neng)更加完善(shan)可靠,而且(qiě)使現代電(diàn)子🙇🏻技術不(bú)斷向高頻(pin)化發展,爲(wèi)用電設備(bei)的高效節(jie)材節🔴能,實(shi)現🔴小型輕(qing)量化,機電(dian)一體化和(hé)智☂️能化提(ti)供了重要(yao)的技術基(jī)礎⁉️。
2. 現代電(diàn)力電子的(de)應用領域(yù)
2.1 計算機高(gao)效率綠色(sè)電源
高速(su)發展的計(ji)算機技術(shu)帶領人類(lei)進入了信(xìn)息社會,同(tong)時‼️也促💋進(jin)了電源技(ji)術的迅速(sù)發展。八十(shí)年代,計算(suan)機全面采(cai)用了開關(guan)電源,率先(xiān)完成計算(suan)機電源換(huan)代😍。接着開(kai)關電源技(jì)術相繼進(jin)人了電子(zǐ)、電器設備(bèi)領域🌂。
計算(suàn)機技術的(de)發展,提出(chū)綠色電腦(nao)和綠色電(dian)源。綠色電(diàn)腦泛指對(dui)環境無害(hài)的個人電(diàn)腦和相關(guān)産品，綠色(se)電源系指(zhi)與綠色電(diàn)😍腦相關的(de)高效省電(diàn)電源,根據(jù)美國環境(jing)保護署l992年(nián)12月10日“能源(yuán)之星"計劃(hua)規定,桌上(shang)型個人電(diàn)腦或相關(guān)的外圍設(she)備,在睡眠(mian)狀态下的(de)耗電量若(ruò)小于30瓦,就(jiù)符合綠色(sè)電腦的要(yào)求,提高電(dian)源效率是(shì)降低電源(yuan)消耗的根(gen)本途徑。就(jiu)目前🌈效率(lǜ)爲75%的200瓦開(kai)關電源而(ér)言,電源自(zi)身要消耗(hào)50瓦的能源(yuan)。
2.2 通信用高(gāo)頻開關電(diàn)源
通信業(ye)的迅速發(fa)展極大的(de)推動了通(tōng)信電源的(de)發展。高頻(pín)小型化的(de)開關電源(yuán)及其技術(shù)已成爲現(xian)代⭐通信😄供(gong)電系統的(de)主流。在通(tōng)信領域中(zhōng),通常将整(zheng)流器稱爲(wei)一次電源(yuán),而将直流(liú)-直流(DC/DC)變換(huan)器稱爲二(er)次電源。一(yi)次電源的(de)作用是将(jiāng)單相或三(sān)相⁉️交流電(diàn)網變換成(chéng)标稱值爲(wèi)48V的直流電(dian)源。目前在(zài)程控交換(huàn)機☎️用的一(yī)次電源中(zhōng),傳統的相(xiàng)控式穩壓(yā)電源己被(bèi)高頻開關(guan)電源取代(dài),高頻開關(guan)電源(也稱(chēng)爲開關型(xing)整流器SMR)通(tōng)過MOSFET或IGBT的高(gao)頻工作,開(kāi)關頻率一(yi)㊙️般🐪控制在(zài)50-100kHz範圍内,實(shi)現高效率(lǜ)和小型化(huà)。近幾年,開(kai)關整流器(qi)的功率容(róng)量不斷擴(kuò)大,單機容(róng)量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
因通(tōng)信設備中(zhōng)所用集成(chéng)電路的種(zhǒng)類繁多,其(qí)電源電壓(ya)也各不☂️相(xiang)同,在通信(xin)供電系統(tǒng)中采用高(gao)功率密度(dù)的高頻DC-DC隔(ge)離電源模(mó)塊,從中間(jian)母線電壓(ya)(一般爲48V直(zhí)流)變換成(chéng)所需的各(gè)種直流電(dian)壓,這樣可(ke)大大減小(xiǎo)損耗、方便(biàn)維護,且安(ān)裝、增加非(fei)常方㊙️便。一(yī)般都可直(zhí)接裝在标(biao)準控制闆(pǎn)上,對二次(cì)電源的要(yao)求是高功(gong)率密度。因(yīn)通信容量(liàng)的不斷增(zēng)加,通信電(dian)源容量也(yě)将不斷增(zēng)加⭐。
2.3 直流-直(zhí)流(DC/DC)變換器(qì)
DC/DC變換器将(jiāng)一個固定(dìng)的直流電(dian)壓變換爲(wei)可變的直(zhi)流電✌️壓,這(zhe)種技術被(bei)廣泛應用(yong)于無軌電(dian)車、地鐵列(lie)車、電動車(che)⛹🏻♀️的無級變(bian)速和控制(zhì),同時使上(shang)述控制獲(huo)得加速平(ping)穩、快🙇🏻速響(xiang)應的性能(néng),并同時🌐收(shou)到節約電(dian)能的效果(guo)🥰。用直流斬(zhǎn)波器代替(tì)🏃🏻變阻器可(ke)節約電能(neng)(20~30)%。直流斬波(bō)器不僅能(néng)起調壓的(de)作用(開關(guan)電源), 同時(shi)🤞還能起到(dào)有效地抑(yi)制電網側(ce)諧波電流(liú)噪聲的作(zuo)用。
通信電(diàn)源的二次(cì)電源DC/DC變換(huàn)器已商品(pǐn)化,模塊采(cǎi)用高頻💚PWM技(ji)🔴術,開關頻(pín)率在500kHz左右(yòu),功率密度(du)爲5W~20W/in3。随着大(da)規模集成(chéng)電路的發(fa)展,要求電(dian)源模塊實(shí)現小型化(huà),因‼️此就要(yào)不斷提高(gao)開關頻率(lü)和采用新(xīn)的電路拓(tuo)撲結構,目(mù)前已有一(yi)些公司研(yan)制生産了(le)采用零電(diàn)流開關和(hé)零電壓開(kāi)關技術的(de)二次電源(yuan)模塊,功率(lü)密度有較(jiào)大幅度的(de)提高。
2.4 不間(jiān)斷電源(UPS)
不(bú)間斷電源(yuán)(UPS)是計算機(jī)、通信系統(tong)以及要求(qiú)提供不能(néng)✂️中🔞斷場💚合(hé)❌所必須的(de)一種高可(kě)靠、高性能(néng)的電源✂️。交(jiao)流市電輸(shū)入經整流(liú)器變成直(zhi)流,一部分(fèn)能量給蓄(xù)電池組充(chōng)電,另一部(bu)分能量經(jing)逆變器變(biàn)成交流,經(jing)轉換開關(guān)送到負載(zai)。爲了在逆(ni)變器故障(zhang)時仍能向(xiang)負載提供(gòng)能量,另一(yi)路備用電(dian)源通過電(diàn)源轉換開(kāi)關來實現(xian)。
現代UPS普遍(biàn)了采用脈(mò)寬調制技(jì)術和功率(lǜ)M0SFET、IGBT等現代電(dian)力電子器(qì)⭐件,電源的(de)噪聲得以(yǐ)降低,而效(xiao)率和可靠(kao)性得❄️以提(ti)高。微處理(lǐ)器軟硬件(jian)技術的引(yin)入,可以實(shi)現對UPS的🌈智(zhì)能化管理(li),進行遠程(cheng)維護和遠(yuǎn)程診斷。
目(mù)前在線式(shì)UPS的最大容(rong)量已可作(zuò)到600kVA。超小型(xing)UPS發展也很(hen)迅速,已經(jing)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種(zhong)規格的産(chan)品。
2.5 變頻器(qi)電源
變頻(pin)器電源主(zhǔ)要用于交(jiāo)流電機的(de)變頻調速(su),其在🌐電氣(qì)🏃🏻♂️傳動系統(tǒng)中占據的(de)地位日趨(qu)重要,已獲(huo)得巨大的(de)節能♋效果(guǒ)。變頻器電(dian)源主電路(lù)均采用交(jiao)流-直流-交(jiao)流方案。工(gōng)🎯頻電源通(tong)過整♊流器(qi)變成固定(dìng)的直流電(dian)壓,然後由(you)大功率晶(jīng)體管或IGBT組(zu)成的PWM高頻(pin)變換器, 将(jiāng)直流電壓(yā)逆變成電(diàn)壓、頻率可(kě)變的交流(liú)輸出,電源(yuan)輸出波形(xíng)👉近似于正(zhèng)弦波,用于(yú)驅動交流(liu)異步🆚電動(dòng)機實現無(wu)級調速。
國(guó)際上400kVA以下(xia)的變頻器(qì)電源系列(lie)産品已經(jing)問世。八十(shi)🙇♀️年🐉代🚩初期(qī),日本東芝(zhi)公司最先(xiān)将交流變(bian)頻調速技(ji)術應用于(yú)空調器中(zhōng)。至1997年,其占(zhàn)有率已達(dá)到日本家(jia)用空♌調的(de)70%以上。變頻(pin)💰空調具💁有(you)舒适、節能(neng)等優點。國(guó)内于90年代(dài)初期開始(shi)研究變📐頻(pín)空調,96年引(yin)進生産🔴線(xiàn)生産變頻(pin)空調器,逐(zhu)漸形成變(bian)頻空調開(kāi)發生産熱(rè)點。預計到(dao)2000年左右将(jiang)形成高潮(cháo)。變頻空調(diao)除了變頻(pín)電源外,還(hái)要求有适(shi)合于變頻(pin)調速的壓(ya)縮機電機(jī)。優化控制(zhi)策略,精♍選(xuǎn)功能組件(jiàn),是空調變(biàn)頻電源研(yán)制的進一(yī)步發展方(fāng)☔向。
2.6 高頻逆(ni)變式整流(liú)焊機電源(yuan)
高頻逆變(biàn)式整流焊(han)機電源是(shì)一種高性(xing)能、高效、省(sheng)材的新型(xing)焊機電源(yuán),代表了當(dang)今焊機電(dian)源的發展(zhǎn)方向🌈。由于(yu)IGBT大容量模(mó)塊的商用(yong)化,這種電(dian)源更有着(zhe)廣闊的應(yīng)用前景。
逆(nì)變焊機電(diàn)源大都采(cǎi)用交流-直(zhi)流-交流-直(zhí)流(AC-DC-AC-DC)變換的(de)方👣法。50Hz交流(liú)💋電經全橋(qiáo)整流變成(cheng)直流,IGBT組成(cheng)的PWM高頻變(biàn)換部分将(jiāng)直🍉流電逆(ni)變成20kHz的高(gāo)頻矩形波(bo),經高頻變(biàn)壓器耦合(hé), 整流濾波(bo)後成爲穩(wen)定的直流(liú),供電弧使(shǐ)用。
由于焊(han)機電源的(de)工作條件(jian)惡劣,頻繁(fán)的處于短(duan)路、燃弧、開(kāi)路交替變(bian)化之中,因(yīn)此高頻逆(nì)變式整流(liú)焊機電源(yuán)的工作可(kě)靠性問題(ti)成爲最關(guan)鍵的問題(ti),也是用戶(hu)最關心🔴的(de)問題🏃🏻。采用(yong)微處理器(qi)做爲脈沖(chong)寬度調制(zhì)(PWM)的相關控(kong)制器,通過(guò)對多參數(shu)、多信息的(de)提取與分(fèn)析,達到預(yu)知系統各(gè)種工作狀(zhuàng)态的目的(de),進💰而提前(qian)對系🏃🏻♂️統做(zuo)出調整和(he)處🤟理,解決(jue)了目前♉大(dà)功率IGBT逆變(biàn)電🔆源可靠(kào)性。
國外逆(ni)變焊機已(yǐ)可做到額(é)定焊接電(diàn)流300A,負載持(chí)續率60%,全🔆載(zai)電壓60~75V,電流(liú)調節範圍(wei)5~300A,重量29kg。
2.7 大功(gōng)率開關型(xíng)高壓直流(liú)電源
大功(gong)率開關型(xíng)高壓直流(liú)電源廣泛(fàn)應用于靜(jing)電除塵😄、水(shui)質改良、醫(yī)用X光機和(hé)CT機等大型(xíng)設備。電壓(ya)高達50~l59kV,電流(liú)達到0.5A以上(shàng)🏃♀️,功率可達(dá)100kW。
自從70年代(dài)開始,日本(ben)的一些公(gong)司開始采(cai)用逆變技(ji)術,将✊市🍓電(diàn)整流後逆(ni)變爲3kHz左右(you)的中頻,然(rán)後升壓。進(jìn)入80年代,高(gao)頻開關電(diàn)源技術迅(xùn)速發展。德(dé)國西門子(zǐ)公司采用(yòng)功率👅晶體(ti)管做主開(kāi)關元件,将(jiang)電源的開(kāi)關頻率提(tí)高到20kHz以上(shang)。并将幹式(shi)變壓器技(jì)💜術成功的(de)⛹🏻♀️應用于高(gāo)頻高壓電(diàn)源,取消了(le)高壓變壓(ya)器油箱,使(shi)變壓器系(xì)統的體積(jī)進一步減(jian)小。
國内對(dui)靜電除塵(chén)高壓直流(liu)電源進行(hang)了研制,市(shì)電經整流(liú)變爲直流(liú),采用全橋(qiao)零電流開(kai)關串聯諧(xie)振㊙️逆變電(diàn)路将直流(liu)電💯壓逆變(bian)爲高頻電(dian)壓,然後由(yóu)高頻變壓(yā)器升壓,最(zui)後整流爲(wei)直⭕流高壓(ya)。在電阻負(fù)載條件下(xià),輸出直流(liú)電壓達到(dào)55kV,電流達到(dào)15mA,工🏒作頻率(lü)爲25.6kHz。
2.8 電力有(yǒu)源濾波器(qi)
傳統的交(jiao)流-直流(AC-DC)變(biàn)換器在投(tou)運時,将向(xiàng)電網注入(rù)大💯量的諧(xié)波電流,引(yǐn)起諧波損(sun)耗和幹擾(rao),同時還出(chu)💚現裝置網(wang)🤞側功⭕率因(yīn)數惡化的(de)現象,即所(suo)謂“電力公(gōng)害”,例如,不(bú)可控整流(liu)加電容濾(lü)🔞波時,網側(cè)三次諧波(bo)含量可達(dá)(70~80)%,網側功率(lü)☔因數僅有(yǒu)0.5~0.6。
電力有源(yuan)濾波器是(shì)一種能夠(gou)動态抑制(zhi)諧波的新(xin)型電力電(dian)☂️子裝置,能(neng)克服傳統(tǒng)LC濾波器的(de)不足,是一(yī)✨種很有發(fā)🌈展前途的(de)諧波抑制(zhì)手段。濾波(bo)器由橋式(shi)開關功率(lǜ)變換器和(hé)具體控制(zhì)電路構❤️成(cheng)。與傳統開(kai)關電源的(de)區别是:(l)不(bú)✨僅反饋輸(shu)出電壓,還(hai)反饋輸入(rù)☀️平均電流(liú); (2)電流環基(ji)準信号爲(wei)電壓環誤(wù)差信号與(yǔ)🏃🏻♂️全波整流(liú)電壓取樣(yang)信号之乘(chéng)積。
