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                                        現代電力電子及電源技術的發展
                                        2012-07-10       suixiang    瀏覽:1997    0  

                                        現代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術多學科邊緣交又技術。各種高質量、高效、高可靠性電源中起關鍵作用,是現代電力電子技術具 體應用。

                                        當前,電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化方向發展。不遠將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經 濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。

                                        1. 電力電子技術發展

                                        現代電力電子技術發展方向,是從以低頻技術處理問題為主傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術許多新領域應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來、以功率MOSFETIGBT為代表、集高頻、高壓和大電流于一身功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

                                        1.1 整流器時代

                                        大功率工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,大約20%電能是以直流形式消費,其中最典型是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動內燃機車、鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率把工頻交流電轉變為直流電,六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管開發與應用以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各大辦硅整流器廠熱潮,目前全國大大小小制造硅整流器半導體廠家就是那時產物。

                                        1.2 逆變器時代

                                        七十年代出現了世界范圍能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz交流電。七十年代到八十年代,變頻調速裝置普及,大功率逆變用晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件主角。類似應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限中低頻范圍內。

                                        1.3 變頻器時代

                                        進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術迅猛發展,為現代電力電子技術發展奠定了基礎。將集成電路技術精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新全控型功率器件、首先是功率M0SFET問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFETIGBT相繼問世,是傳統電力電子向現代電力電子轉化標志。據統計,1995年底,功率M0SFETGTR功率半導體器件市場上已達到平分秋色步,而用IGBT代替GTR電力電子領域巳成定論。新型器件發展為交流電機變頻調速提供了較高頻率,使其性能更加完善可靠,使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要技術基礎。

                                        2. 現代電力電子應用領域

                                        2.1 計算機高效率綠色電源

                                        高速發展計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。

                                        計算機技術發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害個人電腦和相關產品,綠色電源系指與綠色電腦相關高效省電電源,美國環境保護署l992617日“能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關外圍設備,睡眠狀態下耗電量若小于30,就符合綠色電腦要求,提高電源效率是降低電源消耗根本途徑。就目前效率為75%200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦能源。

                                        2.2 通信用高頻開關電源

                                        通信業迅速發展極大推動了通信電源發展。高頻小型化開關電源及其技術已成為現代通信供電系統主流。通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V直流電源。目前程控交換機用一次電源中,傳統相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)MOSFETIGBT高頻工作,開關頻率一般控制50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A48V/20A擴大到48V/200A48V/400A

                                        因通信設備中所用集成電路種類繁多,其電源電壓也各不相同,通信供電系統中采用高功率密度高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝標準控制板上,對二次電源要求是高功率密度。因通信容量不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

                                        2.3 直流-直流(DC/DC)變換器

                                        DC/DC變換器將一個固定直流電壓變換為可變直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、鐵列車、電動車無級變速和控制,同時使上述控制獲加速平穩、快速響應性能,并同時收到節約電能效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器能起調壓作用(開關電源), 同時還能起到有效抑制電網側諧波電流噪聲作用。

                                        通信電源二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。大規模集成電路發展,要求電源模塊實現小型化,就要不斷提高開關頻率和采用新電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術二次電源模塊,功率密度有較大幅度提高。

                                        2.4 不間斷電源(UPS)

                                        不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須一種高可靠、高性能電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源電源轉換開關來實現。

                                        現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFETIGBT等現代電力電子器件,電源噪聲以降低,而效率和可靠性以提高。微處理器軟硬件技術引入,可以實現對UPS智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。

                                        目前線式UPS最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVAlVA2kVA3kVA等多種規格產品。

                                        2.5 變頻器電源

                                        變頻器電源主要用于交流電機變頻調速,其電氣傳動系統中占據位日趨重要,已獲巨大節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源整流器變成固定直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。

                                        國際上400kVA以下變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997,其占有率已達到日本家用空調70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調變頻電源外,還要求有適合于變頻調速壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制進一步發展方向。

                                        2.6 高頻逆變式整流焊機電源

                                        高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材新型焊機電源,代表了當今焊機電源發展方向。IGBT大容量模塊商用化,這種電源更有著廣闊應用前景。

                                        逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz高頻矩形波,經高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩定直流,供電弧使用。

                                        焊機電源工作條件惡劣,頻繁處于短路、燃弧、開路交替變化之中,高頻逆變式整流焊機電源工作可靠性問題成為最關鍵問題,也是用戶最關心問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)相關控制器,對多參數、多信息提取與分析,達到預知系統各種工作狀態目,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。

                                        國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg

                                        2.7 大功率開關型高壓直流電源

                                        大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW

                                        自從70年代開始,日本一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統體積進一步減小。

                                        國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz

                                        2.8 電力有源濾波器

                                        傳統交流-直流(AC-DC)變換器投運時,將向電網注入大量諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化現象,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動態抑制諧波新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器不足,是一種很有發展前途諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源區別是:(l)反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; (2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。

                                        2.9 分布式開關電源供電系統

                                        分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化大功率供電電源,使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)研制壓力,提高生產效率。

                                        八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統研究基本集中變換器并聯技術研究上。八十年代中后期,高頻功率變換技術迅述發展,各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置集成成為可能,迅速推動了分布式高頻開關電源系統研究展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界研究熱點,論文數量逐年增加,應用領域不斷擴大。

                                        分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路低電壓電源(3.3V)最為理想供電方式。大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊應用前景。

                                        3. 高頻開關電源發展趨勢

                                        電力電子技術應用及各種電源系統中,開關電源技術均處于核心位。大型電解電鍍電源,傳統電路非常龐大而笨重,采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術,開關電源改變用電頻率,達到近于理想負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)核心技術。

                                        3.1 高頻化

                                        理論分析和實踐經驗表明,電氣產品變壓器、電感和電容體積重量與供電頻率平方根成反比。當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍話,用電設備體積重量大體下降至工頻設計 5~l0%。是逆變式整流焊機,通訊電源用開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統“整流行業”電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以這一原理進行改造, 成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。功率電子器件工作頻率上限逐步提高,促使許多原來采用電子管傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料經濟效益,更可體現技術含量價值。

                                        3.2 模塊化

                                        模塊化有兩方面含義,其一是指功率器件模塊化,其二是指電源單元模塊化。我們常見器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七元,包括開關器件和與之反并聯續流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),縮小了整機體積,更方便了整機設計制造。實際上,頻率不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容影響愈加嚴重,對器件造成更大電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。提高系統可靠性,有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機幾乎所有硬件都以芯片形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統引線連接,這樣模塊嚴格、合理熱、電、 機械方面設計,達到優化完美境。它類似于微電子中用戶專用集成電路(ASIC)。把控制軟件寫入該模塊中微處理器芯片,再把整個模塊固定相應散熱器上,就構成一臺新型開關電源裝置。由此可見,模塊化目使用方便,縮小整機體積,更重要是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,把器件承受電應力降至最低,提高系統可靠性。另外,大功率開關電源,器件容量限制和增加冗余提高可靠性方面考慮,一般采用多個獨立模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,提高了功率容量, 有限器件容量情況下滿足了大電流輸出要求, 增加相對整個系統來說功率很小冗余電源模塊,極大提高系統可靠性,萬一出現單模塊故障,會影響系統正常工作,為修復提供充分時間。

                                        3.3 數字化

                                        傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作。六、七十年代,電力電子技術完全是建立模擬電路基礎上。,現數字式信號、數字電路顯越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號畸變失真、減小雜散信號干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術植入。,八、九十年代,各類電路和系統設計來說,模擬技術有用,特別是:諸如印制版布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數修正(PFC)等問題解決,離不開模擬技術知識,智能化開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。

                                        3.4 綠色化

                                        電源系統綠色化有兩層含義:首先是顯著節電, 這意味著發電容量節約,而發電是造成環境污染重要原因,節電就可以減少對環境污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,IEC555IEC917IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網污染源:向電網注入嚴重高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器方案誕生,有了多種修正功率因數方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。

                                        現代電力電子技術是開關電源技術發展基礎。新型電力電子器件和適于更高開關頻率電路拓撲不斷出現,現代電源技術將實際需要推動下快速發展。傳統應用技術下,功率器件性能限制而使開關電源性能受到影響。極大發揮各種功率器件特性,使器件性能對開關電源性能影響減至最小,新型電源電路拓撲和新型控制技術,可使功率開關工作零電壓或零電流狀態,可大大提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良開關電源。

                                         總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等實現,將標志著這些技術成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,通信行業發展,以開關電源技術為核心通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,,同樣具有幾十億產值需求電力操作電源系統國內市場正啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心專用電源、工業電源正等待著人們去開發。 

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