現代電(diàn)力電子y❌umi国模🚩及電源技(jì)術的發展
發布時(shí)間：2025-12-10 浏覽數：
現代電(dian)源技術是應用電(dian)力電子半導體器(qi)件,綜合自動控制(zhì)、計📞算機(微處理器(qi))技術和電磁技術(shu)的多學科邊緣💋交(jiāo)叉技術。在各種高(gāo)質量、高效、高可靠(kao)性❓的電源中起關(guān)鍵作用,是現代電(diàn)力電子技術的具(ju) 體應用。
當前,電力(lì)電子作爲節能、節(jiē)才、自動化、智能化(hua)、機電一體化的基(ji)礎,正朝着應用技(ji)術高頻化、硬件結(jié)構模塊化、産品性(xing)能綠色化的方向(xiang)發展。在不遠的将(jiāng)來,電力電子技術(shu)将使電源技術更(gèng)加成熟、經 濟、實🏃🏻用(yòng),實現高效率和高(gao)品質用電相結合(hé)。
1. 電力電子技術的(de)發展
現代電力電(dian)子技術的發展方(fang)向,是從以低頻技(jì)術處理問題爲主(zhǔ)的傳統電力電子(zǐ)學,向以高頻技術(shu)處理✊問題爲主的(de)現代電力電子學(xué)方向轉變。電力電(diàn)子技術起始于五(wǔ)十年代末六十年(nián)代初的矽整流器(qì)件,其發展先後💁經(jing)曆了整㊙️流器時代(dai)、逆變器時代和變(biàn)頻器時代,并促進(jin)了電力電子技術(shu)在許多😍新領域的(de)應用🍉。八十年代末(mò)期和九十年代初(chū)期發展起來的、以(yǐ)功率MOSFET和IGBT爲代表的(de)、集高頻、高壓和大(dà)電♌流🧑🏾🤝🧑🏼于一身的功(gōng)率半導體複合器(qi)件,表明傳統電力(lì)電子技術已經進(jin)入現👣代電力🐆電子(zǐ)時代。
1.1 整流器時代(dai)
大功率的工業用(yong)電由工頻(50Hz)交流發(fa)電機提供,但是大(dà)約🛀20%的電能是以直(zhi)流形式消費的,其(qí)中最典型的是電(diàn)解(有色金屬和化(huà)工原料需要直流(liú)電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動的内燃(rán)機車、地鐵機👌車、城(chéng)市無軌🍓電車等)和(hé)直流傳動(軋鋼、造(zao)紙等)三大領🏃♂️域。大(dà)功率矽整流器能(neng)夠高效率地把工(gong)頻交流電轉變爲(wèi)直流電,因此在六(liù)十年代和七十年(nian)代,大功率矽整流(liú)管和晶閘♈管的開(kāi)發與應用得以很(hěn)大發展。當時國内(nei)曾經掀起了一股(gǔ)💔各地大辦矽整流(liu)🏒器🈲廠的熱潮🌏,目前(qián)全國大大小小的(de)制造矽整流器的(de)半導🔞體廠🚶家就是(shì)那時的産物。
1.2 逆變(bian)器時代
七十年代(dài)出現了世界範圍(wéi)的能源危機,交流(liú)電機變頻調速因(yīn)節能效果顯著而(ér)迅速發展。變頻調(diào)速的關鍵技術是(shì)将直🔴流電逆變爲(wèi)0~100Hz的交流電。在七十(shi)年代到八十年代(dai),随着變頻調速裝(zhuāng)置的普及,大功率(lü)逆變用的晶閘管(guǎn)、巨型功率晶體管(guan)(GTR)和門極可關🧑🏾🤝🧑🏼斷晶(jīng)閘管(GT0)成爲當時電(dian)力電子器件的主(zhu)角。類似的應用還(hái)包括高壓直流輸(shu)出,靜⛷️止式無功功(gōng)率動态補償等。這(zhè)時的電🈲力電子技(jì)術已經💜能夠實現(xian)整流和👉逆變,但工(gōng)作頻率較低,僅局(jú)限在中低頻範圍(wéi)内。
1.3 變頻器時代
進(jìn)入八十年代,大規(gui)模和超大規模集(ji)成電路技術的迅(xun)猛發展,爲現代電(diàn)力電子技術的發(fa)展奠定了基礎。将(jiāng)集成電路技術的(de)精細加工技術和(hé)高壓大電流技術(shù)有機結合,出現了(le)一批全新💃🏻的全控(kòng)型功率器件、首先(xiān)是功率M0SFET的問世,導(dǎo)緻了中小📱功率電(diàn)源向高頻化發展(zhǎn),而後絕緣門極雙(shuāng)極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又爲大中型功♍率(lü)電源向高頻發展(zhǎn)帶來機遇。MOSFET和IGBT的相(xiang)繼問世,是傳統的(de)電力電子向現代(dai)電力電子轉♈化的(de)标志。據統計,到❌1995年(nián)底,功率M0SFET和GTR在功率(lü)🧑🏾🤝🧑🏼半導體器件市場(chang)上已達到平分秋(qiu)色的地步,而用IGBT代(dài)替GTR在電力電子領(ling)域巳成定論。新⛱️型(xing)器件的發展不僅(jin)爲交流電機變頻(pín)調速提供了🏃♂️較高(gao)的頻率,使其性能(neng)更😄加完善可靠,而(ér)且使現代⁉️電子技(jì)術不斷向高頻化(huà)發展,爲用電設備(bèi)的高效節材節能(néng),實現小型輕量化(hua),機電一體化💜和智(zhi)能化提供了重要(yao)的技術基📧礎。
2. 現代(dai)電力電子的應用(yòng)領域
計算(suàn)機技術的發展,提(tí)出綠色電腦和綠(lü)色電源。綠色電腦(nao)泛指對環境無害(hai)的個人電腦和相(xiang)關産品🐆，綠色電源(yuán)系指與綠色電腦(nao)相關的高效省電(diàn)電源,根據美國環(huan)境🙇♀️保護署l992年12月10日(ri)“能源之星"計劃規(gui)定,桌上型個人電(dian)腦或相關的外圍(wéi)設備,在睡眠狀态(tài)🙇♀️下的耗電量若小(xiǎo)于30瓦,就符合綠色(se)電腦的要求,提💘高(gao)電源效率是降低(dī)電源消耗的根本(ben)途徑。就目前效率(lü)爲75%的200瓦開關🌈電源(yuán)而🐕言,電源自身要(yao)消耗50瓦的💃🏻能源。
2.2 通(tōng)信用高頻開關電(dian)源
通信業的迅速(su)發展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)🈲展。高頻小型化的(de)開關電源及其技(jì)術已成爲現代通(tōng)信供電系統🏃🏻♂️的主(zhǔ)‼️流。在✔️通信領域中(zhong),通常将整流🔅器稱(cheng)爲一次電源,而将(jiāng)❄️直流-直流(DC/DC)變換器(qì)稱爲二次電源。一(yi)次電源的作用是(shi)将單相或三相交(jiāo)流電網👣變換成标(biao)稱值爲48V的直流電(diàn)源。目前在程控交(jiao)換機用的一次電(diàn)源中,傳統的相控(kòng)式穩壓電源己被(bei)高頻開關電源取(qu)代,高頻開關電源(yuan)(也稱爲開關型整(zheng)流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高(gāo)頻🚶工作,開關頻率(lü)一般控制在50-100kHz範圍(wei)内,實現🏃🏻高效率和(he)小❓型化。近幾年,開(kai)關整流器的功率(lǜ)容量不斷擴大,單(dān)機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大(da)到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中(zhong)所用集成電路的(de)種類繁多,其電源(yuán)🤩電壓也🏃🏻各不相同(tóng),在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密(mì)度的高頻DC-DC隔離電(dian)源模塊,從中間母(mu)線電壓(一般爲48V直(zhí)流)變換成🛀所需的(de)各種直流電壓,這(zhè)樣可大大🔞減小損(sǔn)耗、方便維護,且安(an)裝、增🔴加非常方便(bian)。一般都可直接裝(zhuang)在标準控制闆上(shang),對二次電⚽源的要(yào)求是💚高功率密度(dù)。因通信容量的不(bu)斷增加,通信電源(yuán)容量也将不斷增(zēng)加♉。
2.3 直流-直流(DC/DC)變換(huan)器
DC/DC變換器将一個(ge)固定的直流電壓(yā)變換爲可變的直(zhí)流電壓,這種技術(shu)被廣泛應用于無(wú)軌電車、地鐵列車(chē)、電動車的無級變(bian)速和控制,同時使(shǐ)上述控制獲得加(jiā)速平穩、快💚速響應(ying)的性能,并同時收(shou)到節約電🐉能的效(xiào)果。用直流斬波器(qi)代替🌂變阻器可節(jie)約電能✏️(20~30)%。直流斬波(bo)器不僅能起調壓(ya)的作用(開關電源(yuán)), 同時🐆還能起到有(yǒu)效地抑制電網側(ce)諧波電流噪聲的(de)作用。
2.4 不間(jian)斷電源(UPS)
現代UPS普遍了(le)采用脈寬調制技(jì)術和功率M0SFET、IGBT等現代(dai)電力電子⛷️器🈲件,電(diàn)源的噪聲得以降(jiàng)低,而效率和可靠(kào)性得以提♻️高。微處(chù)理器軟硬件技術(shu)的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理(lǐ),進行遠程維護和(he)遠程診斷。
目前在(zai)線式UPS的最大容量(liang)已可作到600kVA。超小型(xíng)UPS發展也很迅🏃速,已(yǐ)經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格(ge)的産品。
2.5 變頻器電(dian)源
變頻器電源主(zhu)要用于交流電機(jī)的變頻調速,其在(zai)電氣傳🔞動系統中(zhōng)占據的地位日趨(qu)重要,已獲得巨大(dà)的節能效果。變頻(pín)器電源主電路均(jun)采用交流-直流-交(jiāo)流方案。工頻電源(yuán)通過整流器變成(chéng)固定的直🌐流電壓(yā),然後由大功率晶(jīng)體管或IGBT組成的PWM高(gāo)頻變換🐆器, 将直流(liu)電壓逆變成電壓(yā)、頻率可變的交流(liú)輸出,電源輸出波(bō)形近似于正弦波(bo),用于驅動交流🌈異(yì)步電動機實現無(wu)級調速。
國際上400kVA以(yǐ)下的變頻器電源(yuán)系列産品已經問(wen)世。八十年☁️代初期(qi),日本東芝公司最(zui)先将交流變頻調(diao)速技術🐪應用于空(kong)🚶♀️調器中。至1997年,其占(zhàn)有率已達到日本(ben)家用空調的70%以上(shàng)。變頻💜空調具有舒(shū)适、節能等優點。國(guó)内于90年代初期開(kāi)始研究變頻空調(diào),96年引進生産線生(shēng)産變頻空調器,逐(zhu)漸形成變頻空調(diào)開發生産熱點。預(yù)計到2000年左右将形(xíng)成高潮。變頻空調(diào)除了變頻電源外(wai),還要求🔱有适合👨❤️👨于(yu)變頻調速的壓縮(suō)機電機⛷️。優化控制(zhi)策略,精選功能組(zǔ)件,是空調🌍變頻電(dian)源💁研制的進一步(bù)發展方向。
2.6 高頻逆(nì)變式整流焊機電(dian)源
高頻逆變式整(zheng)流焊機電源是一(yi)種高性能、高效、省(sheng)材🌈的新型焊機電(dian)源,代表了當今焊(hàn)機電源的發展方(fang)向✏️。由于IGBT大容量模(mo)塊的商用化,這種(zhong)電源更有着廣闊(kuò)的應用前景。
逆變(biàn)焊機電源大都采(cǎi)用交流-直流-交流(liú)-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法(fǎ)。50Hz交流電經全橋整(zhěng)流變成直流,IGBT組成(chéng)的PWM高頻變換部分(fen)🏃🏻将直流電逆變成(cheng)20kHz的高頻矩形波,經(jing)高頻變壓器耦合(hé), 整流濾波後成爲(wei)穩定的直流,供電(dian)弧🌈使用。
國外逆(ni)變焊機已可做到(dào)額定焊接電流300A,負(fu)載持續率60%,全載電(diàn)壓60~75V,電流調節範圍(wéi)5~300A,重量29kg。
2.7 大功率開關(guān)型高壓直流電源(yuan)
大功率開關型高(gāo)壓直流電源廣泛(fan)應用于靜電除塵(chén)、水質改🐇良、醫用X光(guāng)機和CT機等大型設(shè)備。電壓高達50~l59kV,電流(liú)☁️達到0.5A以上,功率可(ke)達100kW。
自從70年代開始(shǐ),日本的一些公司(sī)開始采用逆變技(ji)術,将市電整流後(hòu)逆變爲3kHz左右的中(zhōng)頻,然後升壓。進入(rù)80年代,高頻開關電(diàn)源技😄術迅速發展(zhǎn)。德國西門子公司(si)采用功率🏒晶體管(guan)做主開關元件,将(jiāng)電源的開關頻率(lü)提高到20kHz以上。并将(jiāng)幹式變壓器技🌐術(shù)成功的應用于高(gāo)頻🈲高壓電源,取消(xiāo)了高壓變壓器油(you)箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減(jian)小。
2.8 電力有源(yuán)濾波器
傳統的交(jiāo)流-直流(AC-DC)變換器在(zai)投運時,将向電網(wang)注入大☀️量的諧波(bo)電流,引起諧波損(sun)耗和幹擾,同時還(hai)出現裝㊙️置網側功(gōng)率因數惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公(gong)害”,例如,不可控整(zhěng)流加電容濾💞波時(shí),網側三次諧波含(han)量可達☔(70~80)%,網側功率(lü)因數僅有0.5~0.6。
電力有(yǒu)源濾波器是一種(zhǒng)能夠動态抑制諧(xie)波的新型🍉電🔴力電(dian)子裝置,能克服傳(chuan)統LC濾波器的不足(zu),是一種很有發展(zhan)前途的諧波抑制(zhì)手段。濾波器由橋(qiáo)式開關功🏃♂️率變換(huàn)器和具體控制電(diàn)路構成。與傳統開(kai)關電源的區别是(shì):(l)不☂️僅反饋輸出電(diàn)壓,還反饋輸入平(píng)均電流; (2)電流環基(ji)準信号爲電壓環(huan)誤差信号與全波(bō)整流電👌壓取樣信(xin)号之乘積。
