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当代电力电子及电源手艺的生长

阅读次数: 日期:2015-9-16

  开关电源当代电源手艺是运用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)手艺和电磁手艺的多学科边沿交又手艺。正在种种下质量、高效、下可靠性的电源中起要害感化,是当代电力电子技术的详细运用。

  当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、电机一体化的根蒂根基,正朝着应用技术高频化、硬件构造模块化、产物机能绿色化的偏向生长。正在不远的未来,电力电子技术将使电源手艺越发成熟、经济、适用,实现高效率和下品格用电相结合。

  1. 电力电子技术的生长当代电力电子技术的发展方向,是从以低频手艺处置惩罚题目为主的传统电力电子学,背以高频手艺处置惩罚题目为主的当代电力电子学偏向改变。

  电力电子技术肇端于五十年月终六十年代初的硅整流器件,其生长前后阅历了整流器时期、逆变器时期和变频器时期,并增进了电力电子技术正在很多新领域的运用。八十年代末期和九十年代早期生长起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,注解传统电力电子技术曾经进入当代电力电子时期。

  1.1 整流器时期大功率的产业用电由工频(50Hz)交换发电机供应,然则约莫20%的电能是以直流情势消耗的,个中最典范的是电解(有色金属和化工原料需求直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大范畴。大功率硅整流器可以或许高效率天把工频交流电转变为直流电,因而正在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开辟取运用得以很大生长。事先海内曾掀起了-股各地大办硅整流器厂的高潮,现在天下大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是当时的产品。

  1.2 逆变器时期七十年代泛起了天下局限的能源危机,交换机电变频惆速果节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电顺变成0~100Hz的交流电。正在七十年代到八十年代,跟着变频调速装配的提高,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为事先电力电子器件的配角。相似的运用借包孕高压直流输出,静止式无功功率静态赔偿等。这时候的电力电子技术曾经可以或许实现整流和顺变,但事情频次较低,仅范围正在中低频范围内。

  1.3 变频器时期进入八十年代,大规模和超大规模集成电路手艺的迅猛生长,为当代电力电子技术的生长奠基了根蒂根基。将集成电路手艺的邃密加工手艺和高压大电流手艺有机联合,泛起了一批全新的全控型功率器件、起首是功率M0SFET的问世,致使了中小功率电源背高频化生长,然后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的泛起,又为大中型功率电源背高频生长带来时机。MOSFET和IGBT的接踵问世,是传统的电力电子背当代电力电子转化的标记。据统计,到1995岁尾,功率M0SFET和GTR正在功率半导体器件市场上已到达势均力敌的田地,而用IGBT替代GTR正在电力电子范畴巳成定论。新型器件的生长不只为交换机电变频调速供应了较下的频次,使其机能越发完美可靠,并且使当代电子技术络续背高频化生长,为用电装备的高效节材节能,实现小型沉量化,电机一体化和智能化供应了主要的手艺根蒂根基。

  2. 当代电力电子的应用领域

  2.1 计算机高效率绿色电源高速生长的计算机技术率领人类进入了信息社会,同时也增进了电源手艺的迅速发展。八十年代,计算机周全接纳了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源手艺接踵进人了电子、电器设备范畴。

  计算机技术的生长,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对情况有害的个人电脑和相干产物,绿色电源系指取绿色电脑相干的高效省电电源,凭据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星”计划划定,桌上型个人电脑或相干的外围设备,正在就寝状况下的耗电量若小于30瓦,便相符绿色电脑的要求,进步电源效力是低落电源斲丧的根本途径。便现在效力为75%的200瓦开关电源而言,电源本身要斲丧50瓦的能源。

  2.2 通讯用高频开关电源通讯业的迅速发展极大的鞭策了通讯电源的生长。高频小型化的开关电源及其手艺已成为当代通讯供电系统的支流。正在通讯发域中,一般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。一次电源的感化是将单相或三相交换电网变更成标称值为48V的直流电源。现在正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庖代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)经由过程MOSFET或IGBT的高频事情,开关频次一样平常掌握正在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。远几年,开关整流器的功率容量络续扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A.果通讯装备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不雷同,正在通讯供电系统中接纳下功率密度的高频DC-DC断绝电源模块,从中央母线电压(一样平常为48V直流)变更成所需的种种直流电压,如许可大大减小消耗、轻易保护,且安装、增添异常轻易。一样平常皆可间接装正在尺度控制板上,对二次电源的要求是下功率密度。果通讯容量的络续增添,通讯电源容量也将络续增添。

  2.3 直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换器将一个流动的直流电压变更为可变的直流电压,这类手艺被普遍应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和掌握,同时使上述掌握得到减速安稳、快速相应的机能,并同时收到勤俭电能的结果。用直流斩波器替代变阻器可勤俭电能(20~30)%.直流斩波器不只能起调压的感化(开关电源), 同时借能起到有效地抑止电网侧谐波电流噪声的感化。

  通讯电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块接纳高频PWM手艺,开关频次正在500kHz阁下,跟着大规模集成电路的生长,要求电源模块实现小型化,因而就要不断提高开关频次和接纳新的电路拓扑构造,现在已有一些公司研制消费了接纳整电流开关和整电压开关手艺的二次电源模块,功率密度有较大幅度的进步。

  2.4 不间断电源(UPS)

  不间断电源(UPS)是计算机、通讯体系和要求供应不克不及中止场所所必需的一种下可靠、下机能的电源。交换市电输入经整流器酿成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另外一局部能量经逆变器酿成交换,经转换开关送到负载。为了正在逆变器毛病时仍能背负载供应能量,另外一路备用电源经由过程电源转换开关去实现。

  当代UPS广泛了接纳脉宽调制手艺和功率M0SFET、IGBT等当代电力电子器件,电源的噪声得以低落,而效力和可靠性得以进步。微处理器软硬件手艺的引入,能够实现对UPS的智能化管理,停止近程保护和近程诊断。

  现在在线式UPS的最大容量已可作到600kVA.超小型UPS生长也很敏捷,曾经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产物。

  2.5 变频器电源变频器电源重要用于交换机电的变频调速,其正在电气传动系统中占有的职位日益主要,已得到伟大的节能结果。变频器电源主电路均接纳交换-直流-交换计划。工频电源经由过程整流器酿成流动的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT构成的PWM高频变换器, 将直流电压顺酿成电压、频次可变的交换输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交换异步电动机实现无级调速。

  国际上400kVA以下的变频器电源系列产品曾经问世。八十年代早期,日本东芝公司最早将交换变频调速手艺应用于空调器中。至1997年,其占有率已到达日本家用空调的70%以上。变频空调具有温馨、节能等长处。海内于90年月早期最先研讨变频空调,96年引进生产线消费变频空调器,逐步构成变频空调开辟消费热点。估计到2000年阁下将构成热潮。变频空调除变频电源中,还要供有适合于变频调速的压缩机机电。优化掌握战略,精选功用组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

  2.6 高频逆变式整流焊电机源高频逆变式整流焊电机源是一种下机能、高效、省材的新型焊电机源,代表了现今焊电机源的发展方向。因为IGBT大容量模块的商用化,这类电源更有着辽阔的运用远景。

  逆变焊电机源多数接纳交换-直流-交换-直流(AC-DC-AC-DC)变更的要领。50Hz交流电经全桥整流酿成直流,IGBT构成的PWM高频变更局部将直流电顺酿成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳固的直流,供电弧运用。

  因为焊电机源的事情前提卑劣,频仍的处于短路、燃弧、开路瓜代转变当中,因而高频逆变式整流焊电机源的事情可靠性题目成为最要害的题目,也是用户最体贴的题目。接纳微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相干控制器,经由过程对多参数、多信息的提取取剖析,到达预知体系种种事情状况的目标,进而提早对体系做出调解和处置惩罚,处理了现在大功率IGBT顺变电源可靠性。

  外洋逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载连续率60%,全载电压60~75V,电流调治局限5~300A,重量29kg.

  2.7 大功率开关型高压直流电源大功率开关型高压直流电源普遍应用于静电除尘、水质改进、医用X光机和CT机等大型装备。电压高达50~l59kV,电流到达0.5A以上,功率可达100kW.自从70年月最先,日本的一些公司最先接纳顺变手艺,将市电整流后顺变成3kHz阁下的中频,然后升压。进入80年月,高频开关电源手艺迅速发展。德国西门子公司接纳功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频次进步到20kHz以上。并将干式变压器手艺胜利的应用于高频高压电源,勾销了高压变压器油箱,使变压器体系的体积进一步减小。

  海内对静电除尘高压直流电源停止了研制,市电经整流变成直流,接纳全桥零电流开关串连谐振顺变电路将直流电压顺变成高频电压,然后由高频变压器升压,最初整流为直流高压。正在电阻负载条件下,输出直流电压到达55kV,电流到达15mA,事情频次为25.6kHz.

  2.8 电力有源滤波器传统的交换-直流(AC-DC)变换器正在投运时,将背电网注入大量的谐波电流,引发谐波消耗和滋扰,同时借泛起装配网侧功率因数恶化的征象,即所谓“电力公害”,比方,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数唯一0.5~0.6.电力有源滤波器是一种可以或许静态抑止谐波的新型电力电子装配,能战胜传统LC滤波器的缺乏,是一种很有发展前途的谐波抑止手腕。滤波器由桥式开关功率变换器和详细控制电路组成。取传统开关电源的区分是:

  (l)不只反应输出电压,借反应输入均匀电流;

  (2)电流环基准旌旗灯号为电压环偏差旌旗灯号取全波整流电压取样旌旗灯号之乘积。

  2.9 分布式开关电源供电系统分布式电源供电系统接纳小功率模块和大规模掌握集成电路做根基部件,应用最新实际和技术成果,构成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电取强电严密联合,低落大功率元器件、大功率装配(集中式)的研制压力,进步消费效力。

  八十年代早期,对分布式高频开关电源体系的研讨根基集中正在变换器并联手艺的研讨上。八十年代中前期,跟着高频功率变更手艺的迅述生长,种种变换器拓扑构造接踵泛起,联合大规模集成电路和功率元器件手艺,使中小功率装配的集成成为能够,从而敏捷天鞭策了分布式高频开关电源体系研讨的睁开。自八十年代前期最先,那一方背已成为国际电力电子学界的研讨热点,论文数目逐年增添,应用领域络续扩大。

  散布供电体式格局具有节能、可靠、高效、经济和保护轻易等长处。已被大型计算机、通讯装备、航空航天、产业掌握等体系逐步采用,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为幻想的供电体式格局。正在大功率场所,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感到加热电源、电动机驱动电源等范畴也有辽阔的运用远景。

  3. 高频开关电源的发展趋势正在电力电子技术的运用及种种电源体系中,开关电源手艺均处于中心职位。

  关于大型电解电镀电源,传统的电路异常重大而粗笨,若是接纳下顿开关电源手艺,其体积和重量都邑大幅度下落,并且可极大进步电源应用效力、节约质料、降低成本。正在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源手艺,经由过程开关电源改动用电频次,从而到达近于幻想的负载婚配和驱动掌握。高频开关电源手艺,更是种种大功率开关电源(逆变焊机、通信电源、高频加热电源、激光器电源、电力操纵电源等)的核心技术。

  3.1 高频化实际剖析和实践经验注解,电气产物的变压器、电感和电容的体积重量取供电频次的平方根成反比。以是当我们把频次从工频50Hz进步到20kHz,进步400倍的话,用电装备的体积重量大致下降至工频设想的 5~l0%.无论是逆变式整流焊机,照样通信电源用的开关式整流器,都是基于那一道理。一样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等种种直流电源也能够凭据那一道理停止革新, 成为“开关变更类电源”,其重要质料能够勤俭90%或更高,借可节电30%或更多。因为功率电子器件事情频次上限的逐渐进步,促使很多本来接纳电子管的传统高频装备固态化,带来明显节能、节水、勤俭质料的经济效益,更可表现手艺含量的代价。

  3.2 模块化模块化有两方面的寄义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单位的模块化。我们常见的器件模块,含有一单位、两单位、六单位直至七单位,包孕开关器件和与之反并联的绝流二极管,实质上皆属于“尺度”功率模块(SPM)。比年,有些公司把开关器件的驱动珍爱电路也装到功率模块中去,组成了“智能化”功率模块(IPM),不只缩小了整机的体积,更轻易了整机的设想制造。实际上,因为频次的不断提高,以致引线寄生电感、寄生电容的影响越发严峻,对器件形成更大的电应力(显示为过电压、过电流毛刺)。为了进步体系的可靠性,有些制造商开辟了“用户公用”功率模块(ASPM),它把一台整机的险些所有硬件皆以芯片的情势安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线衔接,如许的模块经由严厉、公道的热、电、 机器方面的设想,到达优化完善的田地。它类似于微电子中的用户公用集成电路(ASIC)。只要把掌握软件写入该模块中的微处理器芯片,再把全部模块流动正在响应的散热器上,便组成一台新型的开关电源装配。因而可知,模块化的目标不只在于使用方便,缩小整机体积,更主要的是勾销传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件蒙受的电应力降至最低,进步体系的可靠性。别的,大功率的开关电源,因为器件容量的限定和增添冗余进步可靠性方面的思索,一样平常接纳多个自力的模块单位并联事情,接纳均流手艺,所有模块配合分管负载电流,一旦个中某个模块生效,别的模块再均匀分管负载电流。如许,不只进步了功率容量, 正在有限的器件容量的状况下知足了大电流输出的要求, 并且经由过程增添相对全部体系来讲功率很小的冗余电源模块,极大的进步体系可靠性,纵然万一泛起单模块毛病,也不会影响体系的一般事情,并且为修复供应充裕的工夫。

  3.3 数字化正在传统功率电子技术中,掌握局部是按模仿旌旗灯号去设想和事情的。正在六、七十年代,电力电子技术完整是竖立正在模仿电路基础上的。然则,如今数字式旌旗灯号、数字电路显得愈来愈主要,数字信号处置惩罚手艺日益完美成熟,显现出愈来愈多的长处:便于计算机处置惩罚掌握、制止模仿旌旗灯号的畸变失真、减小纯散旌旗灯号的滋扰(进步抗干扰才能)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等手艺的植入。以是,正在八、九十年代,关于各种电路和体系的设想来讲,模仿手艺照样有效的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 题目和功率因数批改(PFC)等题目的处理,离不开模仿手艺的常识,然则关于智能化的开关电源,需求用计算机掌握时,数字化手艺便离不开了。

  3.4 绿色化电源体系的绿色化有两层寄义:起首是明显节电, 那意味着发电容量的勤俭,而发电是形成环境污染的主要缘由,以是节电便能够削减对情况的净化;其次这些电源不克不及(或少)对电网发生净化,国际电工委员会(IEC)对此制订了一系列尺度,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,很多功率电子节电装备,每每会变成对电网的污染源:背电网注入严峻的下次谐波电流,使总功率因数下落,使电网电压耦合很多毛刺尖峰,以至泛起缺角和畸变。20世纪末,种种有源滤波器和有源赔偿器的计划降生,有了多种批改功率因数的要领。这些为2l世纪批量消费种种绿色开关电源产物奠基了根蒂根基。

  当代电力电子技术是开关电源技术发展的根蒂根基。跟着新型电力电子器件和适于更高开关频次的电路拓扑的络续泛起,当代电源手艺将正在现实需求的鞭策下快速生长。正在传统的应用技术下,因为功率器件机能的限定而使开关电源的机能遭到影响。为了极大施展种种功率器件的特性,使器件机能对开关电源机能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的掌握手艺,可使功率开关事情正在整电压或整电流状况,从而可大大的进步事情频次,进步开关电源工作效率,设想出机能优秀的开关电源。

  总而言之,电力电子及开关电源手艺果运用需求络续向前生长,新技术的泛起又会使很多运用产品更新换代,借会开辟更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标记着这些手艺的成熟,实现高效率用电和下品格用电相结合。那几年,跟着通讯行业的生长,以开关电源手艺为中心的通讯用开关电源,仅海内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其停止开辟研讨。开关电源替代线性电源和相控电源是大势所趋,因而,一样具有几十亿产值需求的电力操纵电源体系的国内市场正在启动,并将很快生长起来。另有别的很多以开关电源手艺为中心的公用电源、产业电源正在守候着人们去开辟。

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