电力电子技术的应用

摘要 近年来，不断进步的计算机技术为现代控制技术在实际生产、生活中提供了强有力的技术支持，新的材料和结构器件又促进了电力电子技术的飞速发展，且在各行业中得到广泛的应用。本文就电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用进行了详细的阐述。

关键词 电力电子技术；电力系统；应用

中图分类号TM1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）38-0147-02。

以功率半导体器件、电路技术、计算机技术和现代控制技术为支撑依据的电力电子技术经过半个世纪的发展，目前在新能源开发、电能质量控制和民用产品等多个行业应用越来越广泛。直流输电是最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术。20世纪80年代之后，提出了柔性交流输电（FACTS）概念，于是电力电子技术在电力系统中的应用研究引起的很大的关注，许多介绍和总结相关设备的基本原理和应用现状层出不穷，相继又出

现了多种设备。笔者按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。

1 在发电环节中的应用

发电机组的多种设备在电力系统的发电环节都会被涉及到，如何改善这些设备的运行特性就需要电力电子技术参与应用。

1.1 大型发电机的静止励磁控制

静止励磁结构简单、可靠性高以及造价相对较低 ，采用晶闸管整流自并励方式，在世界的各大电力系统被广泛采用。省去励磁机这个中间惯性环节，使其拥有了特有的快速性调节。这样使得控制规律的方法和更加先进，效果更加良好。

1.2 水力、风力发电机的变速恒频励磁

水头压力和流量决定了水力发电的有效功率，抽水蓄能机组最佳转速变会随着水头的变化幅度而变化。风速的三次方与风力发电的有效功率成正比，随风速的变化，风车捕捉最大风能的转速也发生变化。所以机组变速运行，即调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定，从而获得最大有效功率。变频电源是此项应用的技术核心。

1.3 发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电率平均8%，风机水泵耗电量约是火电设备总耗电量的65%，不仅耗量大且运行效率低，为了节能，在低压或高压变频器使用时可以使风机水泵变频调速，从而减少电量的消耗。目前来讲，低压变频器技术以达到一定 的水平，国内外的生产厂家也比较多，只是系列产品还不够完整。但是高压大容量变频器设计和生产的企业还是比较少，需要院校和企业抓紧联合开发，以满足生产需求。

2 在输电环节中的应用

被称为“硅片引起的第二次革命”就是电力电子器件应用于高压输电系统，这样使得电力网的稳定运行特性大幅度的改善。

2.1 直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术

流输电相对远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电优势独特，因为其不仅输电容量大、稳定性好等优点而且控制调节非常灵活，从。1970年世界上第一项晶闸管换流器之后，世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀，这也是电力电子技术正式应用于直流输电的里程碑。

2.2 柔性交流输电（FACTS）技术

20世纪80年代后期，FACTS技术的概念问世，这是项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可以灵活控制交流输电功率潮流，使得电力系统的稳定水平大大的提高。

20世纪90年代后，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其设备结构简单，控制方便，成本较低，所以应用较早。

2.3 在配电环节中的应用

如何加强供电可靠性和提高电能质量是配电系统迫切需要解决的问题，电能质量控制既要抑制各种瞬态的波动和干扰，还要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术就是用户电力（Custom Power）技术或称DFACTS技术，它是电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用。其实FACTS设备的缩小版就是DFACTS设备，因为其原理、结构、功能是相似。由于市场较大的需求，所以使用会日益的广泛，再加上电力电子器件价格日益降低，可以预计DFACTS设备产品将迅速进入快速发展期。

3 在节能环节的运用

3.1 变负荷电动机调速运行

要想在节能环节有所成就，就必须从电动机本身和变负荷电动机的调速技术的应用两方面入手，只有二者结合起来，电动机的节能才能达到良好的效果。

目前，变负荷的风机、水泵采用交流调速在国外居多，在我国还需要进一步推广应用。风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量收到良好的效果，其调速范围广，精度高，效率高，可以实现连续无级调速且在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，可以达到30% 的节电率，缺点就是成本较高，产生高次谐波污染电网，即使这样，并不影响其在在冶金、矿山等部门及社会生活中应用推广。阀门控制和变频控制水泵流量如图1、图2所示。

3.2 减少无功损耗，提高功率因数

在电气设备中，属于感性负载的变压器和交流异步电动机，在运行的过程中是有功功率和无功功率均消耗的设备，作为保证电能质量不可缺少的部分无功电源与有功电源是一样的，所以在电力系统中应保持无功平衡，不然就会系统电压降低、功率因数下降、设备遭到破坏 ，严重时还会造成大面积的停电事故，为防止这样的事情发生，当电力网或电气设备无功容量不足时，增装无功补偿设备，提高设备功率因数势在必行。

4 结论

总之，电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域，只有不断的加大已有研究成果的技术应用和运行投入，不断改善经济可行性，才能大幅度提高电力系统的稳定水平，产生巨大效益。

一、前言

电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC)。自20世纪80年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电

子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。

二、电力电子技术的应用

自20世纪80年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。

(一)在发电环节中的应用

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

1 大型发电机的静止励磁控制

静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。 2 水力、风力发电机的变速恒频励磁

水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组)，机组的最佳转速便随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

3 发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电率平均为8％，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65％，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。

(二)在输电环节中的应用

电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。

1 直流输电(HVDC)和轻型直流输电(HVDC Light)技术

直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

2 柔性交流输电(FACTS)技术

FACTS技术的概念问世干20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。

20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FA CTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。

(三)在配电环节中的应用

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力(custom Power)技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。

(四)在节能环节的运用

1 变负荷电动机调速运行

电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。

变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30％左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。

2 减少无功损耗，提高功率因数

在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。

结束语

电力电子技术正在不断发展，新材料，新结构器件的陆续诞生，计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持，在各行各业中的应用越来越广泛。电力电子技术在电力系统中的应用研究与实际工程也取得了可喜成绩。

1 前言

电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电（HVDC）。自20世纪80年代，柔性交流输电（FACTS）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。

2 电力电子技术的应用

自20世纪80年代，柔性交流输电（FACTS）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。

2.1 在发电环节中的应用

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

2.1.1 大型发电机的静止励磁控制

静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。

2.1.2 水力、风力发电机的变速恒频励磁

水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速变随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

2.1.3 发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。

2.2 在输电环节中的应用

电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。

2.2.1 直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术

直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

2.2.2 柔性交流输电（FACTS）技术

FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。

20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。

2.3 在配电环节中的应用

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力（Custom Power）技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大，

市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。

2.4 在节能环节的运用

2.4.1 变负荷电动机调速运行

电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。

变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30%左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。

2.4.2 减少无功损耗，提高功率因数

在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低 ，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。

3结束语

文中概述性地介绍电力电子技术在电力系统中的各类应用，重点在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。

摘 要：电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓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,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。

关键词：电力电子技术；开关电源

现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具 体应用。

当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1. 电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高

频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、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,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、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)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.2 逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因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逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,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)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.3 变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

2. 现代电力电子的应用领域

2.1 计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日

2.2 通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常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。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前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取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3 直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4 不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流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已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6 高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机

电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。 逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围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广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。

自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

2.8 电力有源滤波器

传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓

电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。

2.9 分布式开关电源供电系统

分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。

八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。

分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。

3. 高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

3.1 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统

3.2 模块化

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于

3.3 数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术 拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

3.4 绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网

产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。

总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓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,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有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进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

1概述

自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台 ，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从 旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子 的诞生。进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通 晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究 和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电 子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器 件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响 应快、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、 功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用 渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。 2电力电子器发展回顾

整流管是电力电子器件中结构最简单，应用最广泛的一种器件。目前已形成普通型，快恢复 型和肖特基型三大系列产品，电力整流管对改善各种电力电子电路的性能，降低电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美国通用电气GE公司研制出第一个工业用普通晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革为新器件开发研制奠定了基础，在以后的十年间开发研制出双向，逆变、逆导、非对称晶闸管，至今晶闸管系列产品仍有较为广泛的市场。

1964年在美国第一次试制成功了0.5kV/0.01kA的可关断的GTO至今，目前以达到

9kV/0.25kA/0.8kHz的可关断的GTO至今，目前以达到9kV/2.5kA/0.8kHZ及6kV/6kA/1kHZ的水平，在当前各种自关断器件中GTO容量量最大，但其工作频率最低，但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，因此它在中压、大客量领域中占有一席之地。70年代研制出GTR系列产品，其额定值已达1.8kV/0.8kA/2kHZ， 0.6kV/0.003kA/100kHZ，它具有组成的电路灵活成熟，开关损耗小、开关时间短等特点，在中等容量、中等频率的电路中应用广泛，而作为高性能，大容量的第三代绝缘栅型双极性晶体管IGBT，因其具有电压型控制，输入阻抗大、驱动功率小，开关损耗低及工作频率高等特点，其有着广阔的发展前景。而IGCT是最近发展起来的新型器件，它是在GTO基础上发展起来的器件，称为集成门极换流晶闸管，也有人称之为发射极关断晶闸管，它的瞬时开关频率可达20kHZ，关断时间为1μs，dildt 4kA/ms，du/dt10-20kV/ms，交流阻断电压6kV，直流阻断电压3.9kV，开关时间1000Hz。

3电力电子器件发展趋势

进入90年代电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，也就说， 当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性能亦大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。日本新电元公司的IPM智能化功率模块的主要特点是：

3.1 它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简。

3.2 其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。

3.3 在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题。

3.4 自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实施双重保护，以保证其运行的可靠性。

4 电力电子技术创新

98年未朱基总理明确指示，今后必须加快国家创新体系的建设，因此可以肯定的说，在21世纪初国家发展中，技术创新将要变成企业工作的主导内容，而发展与建立适合中国国情的 电气工业的技术创新机制，通过电力电子技术长足进步推动新型电气工业不断升级和进步进 而走向世界。电力电子技术虽然它具有微电子技术的许多共同特征，如发展变化都非常迅速 ，渗透力和创新表现十分突出，生命力格外旺盛，处于阳光产业地位，并与其它学科相互融 合和发展产生新的机遇，而电力电子技术还有其自身一些独具特色的地方，如高电压、大容 量及控制功率范围大，因此技术的创新难度在于必须跨越高电压大功率这一关卡，及其技术 的综合难度，如材料工业和制造工艺，而电力电子器件工作的可靠性是其极其重要的一个技术指标。为此电力电子技术的创新是与多种学科相互渗透并对各种工业领域有着极强的渗透性。因此电力电子技术与国家的基础产业关系密切，并与国家发展的各项方针及产业政策相 配台的要求在21世纪会显得越来越强烈。电力电子技术又称为能流技术，因此电力电子技术 的发展与创新是21世纪可持续发展战略纲领的重要组成部分。在21世纪初加快现代电力电子 化转化的力度，必将形成一条朝阳的高科技产业链，推动我国工业领域的技术创新。

电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺，已成为世界各国工业自动化控制和机电一体 化领域竞争最激烈的阵地，各发达国家均在这一领域注入极大的人力，物力和财力，使之进 入高科技行业，就电力电子技术的理论研究言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧 国家可以说是齐头并进，在这些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善，促进电力电 子技术向着高频化迈进，实现用电设备的高效节能，为真正实现工控设备的小型化，轻量化 ，智能化奠定了重要的技术基础，也为21世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比，仍有较大的差距，要发展和创新我国电力电子技术，并形成产业化规模，就必须走有中国特色的产学创新之路， 即牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。从跟踪国外先进技术，逐步走 上自主创新，从交叉学科的相互渗透中创新，从器件开发选择及电路结构变换上创新，这对 电力技术创新是尤其实用的。也要从器件制造工艺技术引导创新，从新材料科学的应用上创新，以此推动电力电子器制造工艺的技术创新，提高器件的可靠性。由此形成基础积累型的 创新之路。并要把技术创新与产品应用及市场推广有机结合，已加快科技创新的自我强化的 循环，促进和带动技术创新有着稳定的基础，以使我国电力电子技术及器件制造工艺技术有以长足的发展，并形成一个全新的圾阳产业，转化为巨大的生产力，推动我国工业领域由粗 板型经营走向集型，促进国民经济以高速、高度、可持续发展。