現代電(diàn)力電子及(jí)電源技術的發展
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本文闡述了(le)現代電力電子技術的發展過程,對電力電子技術的應(yīng)用領(lǐng)域進行(háng)了描述,論述了 現代電(diàn)源技術的發展趨(qū)勢。
現代電源(yuán)技術是應用電力電子半導體(tǐ)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叉技術(shù)。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作(zuò)用,是現代電力電子技術(shù)的具 體應用。
當前,電力電子作爲節能、節才、自動化、智能(néng)化、機電(diàn)一體化的基礎,正朝着應用技術(shù)高頻化、硬件結構模(mó)塊化、産品性能(néng)綠色(sè)化的方向發展。在不遠的将(jiāng)來,電力電(diàn)子技術将使電源技術更加(jiā)成熟(shú)、經 濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1. 電力電(diàn)子技術的發展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發展方向(xiàng),是從(cóng)以低頻技術處(chù)理問題爲主的傳統電(diàn)力電子(zǐ)學(xué),向以高頻技術處理問題爲主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技(jì)術(shù)起始于五十年代末六十年代初的矽整流器件,其發展先後經(jīng)曆了整流(liú)器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電(diàn)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展起來的、以功率MOSFET和IGBT爲代表的、集(jí)高頻、高壓和大電流于一(yī)身的(de)功率半導體複合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1 整(zhěng)流器時代
大功(gōng)率的工業用電由工頻(50Hz)交(jiāo)流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中(zhōng)最典型的是電(diàn)解(有色(sè)金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動(dòng)的内燃機車、地(dì)鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率矽整流器能夠(gòu)高效(xiào)率地把(bǎ)工(gōng)頻交流電轉變爲直流電(diàn),因此在六十年代和七十年代,大功率矽整流管和晶閘(zhá)管的開發與應用得以很大發展。當時國内曾經掀(xiān)起了一股各地大辦矽整流器廠的熱潮,目前全國大大小小(xiǎo)的制造矽(xī)整流器的半導體(tǐ)廠家就是那時的産物。
1.2 逆變器時代
七十年(nián)代出現了世界範(fàn)圍的能源危機,交流電機變頻調速因節能效果顯(xiǎn)著而迅速發展。變頻調速的(de)關鍵技術是将直流(liú)電逆(nì)變爲0~100Hz的交流電(diàn)。在七十年代(dài)到(dào)八十年代,随着變頻調速裝置的普及,大功率逆變用(yòng)的晶閘管、巨型功(gōng)率晶體管(GTR)和門極(jí)可關斷(duàn)晶閘管(GT0)成爲當時電力電子(zǐ)器件的主角。類似的應用還包括高壓直流(liú)輸出(chū),靜止(zhǐ)式無功功率動态(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能(néng)夠(gòu)實現整流和逆變(biàn),但工(gōng)作頻率較低,僅局限在(zài)中低頻範圍内。
1.3 變頻器時代
進入(rù)八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展(zhǎn),爲現代電力電子技術(shù)的發展奠定了基礎。将集成電(diàn)路技術的精細加工技術和高(gāo)壓大(dà)電流技術有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型(xíng)功率器(qì)件、首先是功率M0SFET的問世,導緻了中小功率(lǜ)電源向高頻化發展(zhǎn),而後絕緣門極雙極晶體(tǐ)管(IGBT)的出現,又爲大中型功率電源向(xiàng)高(gāo)頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向(xiàng)現代電力電(diàn)子轉化的标志(zhì)。據統計,到1995年底,功率(lǜ)M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步(bù),而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成(chéng)定(dìng)論。新型器件的(de)發展不僅(jǐn)爲(wèi)交流電機變頻調速提供了較高(gāo)的頻率,使其性能更加(jiā)完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術不斷(duàn)向高頻化發展,爲(wèi)用電設備的高效節材節能(néng),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(lì)電子(zǐ)的應用領域
2.1 計算機高效率綠色電源
高(gāo)速發展的(de)計算機技術帶領人類進入了(le)信息社會,同時也促進了電源技術的迅(xùn)速發展。八十年代,計(jì)算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代(dài)。接(jiē)着開關電源技術相繼(jì)進人了電子、電器設備(bèi)領(lǐng)域。
計算機技術(shù)的發展,提出綠色(sè)電(diàn)腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無(wú)害的個人電(diàn)腦和相關産品，綠色電源系(xì)指與(yǔ)綠色電腦相關的(de)高效省電電源,根據美國環境保(bǎo)護署l992年6月17日“能源之(zhī)星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相(xiàng)關的外圍(wéi)設備,在睡眠狀态下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電(diàn)源效(xiào)率是降低電源消(xiāo)耗的根本途徑。就目前效率爲75%的200瓦開關電(diàn)源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用(yòng)高頻開關(guān)電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化(huà)的開(kāi)關電源及其技(jì)術已成(chéng)爲現代通信(xìn)供電系統的主流。在通信領域中,通常将整流器稱爲一次電(diàn)源,而(ér)将直(zhí)流-直(zhí)流(DC/DC)變換器稱爲二次電源。一次電源的作用是将單相或三相交流電網變換成标稱值爲48V的直流電源。目前在(zài)程控交換機用的一次電源中(zhōng),傳統的相控式穩壓電源己(jǐ)被高頻開(kāi)關電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱爲(wèi)開關型整(zhěng)流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作(zuò),開關頻率一般控制在50-100kHz範圍内,實現高效率和小型化。近幾年(nián),開關整流(liú)器的功率容量不斷擴大,單機容量己從(cóng)48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因(yīn)通信設備中所用集(jí)成電路的種類繁多,其電源(yuán)電壓也各不相同,在通信(xìn)供電系(xì)統中采用高功率密度的高(gāo)頻DC-DC隔離電源模塊,從中(zhōng)間母線電壓(一般爲48V直流)變(biàn)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(biàn)。一般都可直接裝在(zài)标準(zhǔn)控制闆上(shàng),對二次電源的要求是高(gāo)功率密度。因通信容量的不(bú)斷增加,通信電源容量也将不斷增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)變換(huàn)器
DC/DC變換器将一個固(gù)定的(de)直流電壓變換爲可變的直流電壓,這種技術被廣泛應(yīng)用(yòng)于無軌電車、地鐵列車、電(diàn)動車的無級(jí)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(tóng)時收到(dào)節約電能的效果。用直流(liú)斬波器代替變阻器可節(jiē)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅(jǐn)能起調壓的作用(開關電(diàn)源), 同時還(hái)能(néng)起到有效地抑制電(diàn)網側諧波電(diàn)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(guān)頻率在500kHz左右,功率密(mì)度爲(wèi)5W~20W/in3。随着大規模集成電(diàn)路的發展,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(lù)拓撲結構(gòu),目前已有一些公司研制生産了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源(yuán)模塊,功率密(mì)度有(yǒu)較大幅度的(de)提高。
2.4 不(bú)間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以(yǐ)及要求提供不(bú)能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流(liú)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(liàng)經逆變器變成交流,經轉(zhuǎn)換開(kāi)關送到負載。爲了在逆變器故障時仍(réng)能(néng)向負載提供能量,另(lìng)一路備用電源通過電(diàn)源轉換開關來實現。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功(gōng)率M0SFET、IGBT等現代(dài)電力電子器件,電源的(de)噪(zào)聲得以降低,而效率和(hé)可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入(rù),可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程(chéng)診斷(duàn)。
目前在(zài)線式UPS的最大容量已可(kě)作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也(yě)很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的産品(pǐn)。
2.5 變頻器電(diàn)源
變頻器電源主要用于(yú)交流(liú)電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系(xì)統中占據(jù)的地位日(rì)趨重要(yào),已(yǐ)獲得(dé)巨大(dà)的節能(néng)效果。變頻器電源主電路均采用(yòng)交流-直流-交流(liú)方案(àn)。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然後由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變(biàn)換器, 将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(sì)于正弦波,用于驅動交流異步電(diàn)動機實現(xiàn)無級調速。
國際(jì)上400kVA以下的變頻器電源系列産品已經問世。八十年代初期,日本東(dōng)芝公司最先将交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其(qí)占有率已(yǐ)達到日本家用空調的70%以上。變頻空(kōng)調具有舒适、節能等優點(diǎn)。國内于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生産(chǎn)線(xiàn)生産變頻空調器,逐漸(jiàn)形成(chéng)變頻空調開發生産熱(rè)點。預計到2000年左右将形成高(gāo)潮(cháo)。變頻空(kōng)調除了變頻電源外,還要求有适合于變頻調速的壓縮機電機(jī)。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制(zhì)的進一步發展方向。
2.6 高頻逆變式整流焊機電(diàn)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(diàn)源(yuán),代表了當(dāng)今焊機電源的發展方向。由(yóu)于IGBT大容(róng)量模塊的商用化,這(zhè)種電源更(gèng)有着廣闊的應用(yòng)前景。
逆變焊機電(diàn)源大都采用(yòng)交流(liú)-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交(jiāo)流電(diàn)經全橋整流變成(chéng)直流,IGBT組(zǔ)成的PWM高頻變換部分将直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合, 整流濾波(bō)後成爲穩定的直流,供電弧使用(yòng)。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻(pín)繁的處于短路(lù)、燃弧、開路交替(tì)變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問(wèn)題成爲最關鍵的問題(tí),也是用戶最關心的問題。采(cǎi)用微處理器做爲脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與(yǔ)分析,達到預知系統(tǒng)各種(zhǒng)工作狀态的目的,進而提前對系統做出調整和處理(lǐ),解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠(kào)性。
國外逆變焊機已可做到(dào)額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節範圍5~300A,重量29kg。
2.7 大(dà)功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓(yā)直流(liú)電源廣泛應用于(yú)靜電(diàn)除塵、水質改(gǎi)良、醫用(yòng)X光機和CT機(jī)等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以(yǐ)上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的(de)一些(xiē)公司開始采(cǎi)用逆變技術,将市(shì)電整流後逆變爲3kHz左右的中頻,然(rán)後升壓。進入80年代,高頻開關(guān)電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,将電源的開關頻率(lǜ)提高到(dào)20kHz以上。并将幹式變壓器技術(shù)成功的應用(yòng)于高頻高壓(yā)電源,取消了高壓變(biàn)壓器油箱,使變壓器系統的體(tǐ)積進一步減小。
國内(nèi)對靜電除(chú)塵(chén)高壓直流電源進行了研制,市電經整流變(biàn)爲直流,采用全(quán)橋零電流(liú)開關串聯諧振逆變電路(lù)将直(zhí)流電壓逆變爲高頻電壓,然後由高頻變壓器升壓,最後整流(liú)爲直(zhí)流高(gāo)壓。在電阻負(fù)載條件下,輸(shū)出直(zhí)流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率爲25.6kHz。
2.8 電力有源濾波器
傳統的交流-直流(liú)(AC-DC)變換器在投運時,将向電網注入大(dà)量的諧波電(diàn)流(liú),引起諧波損耗和幹(gàn)擾,同時還出現裝置網側功率因數(shù)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(gòu)動态抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波(bō)器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾(lǜ)波器由橋式開關功率變換器和具(jù)體控制電路構成。與傳(chuán)統開關電源的區别是(shì):(l)不僅反饋輸出電壓,還(hái)反饋輸入平均電流; (2)電流環基準信号(hào)爲電壓環(huán)誤差信(xìn)号與全波整流電壓取樣信号之乘(chéng)積。
