電力電子與開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展（二）
直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時(shí)收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開(kāi)關(guān)電源), 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。
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(shù),開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現小型化,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
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(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)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(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉換開(kāi)關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過(guò)電源轉換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現對UPS的智能化管理,進(jìn)行遠程維護和遠程診斷。
目前在線(xiàn)式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規格的產(chǎn)品。
變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動(dòng)系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過(guò)整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動(dòng)交流異步電動(dòng)機實(shí)現無(wú)級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術(shù)應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優(yōu)點(diǎn)。國內于90年代初期開(kāi)始研究變頻空調,96年引進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)變頻空調器,逐漸形成變頻空調開(kāi)發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。
預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。
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、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著(zhù)廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開(kāi)路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問(wèn)題成為最關(guān)鍵的問(wèn)題,也是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關(guān)控制器,通過(guò)對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)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。
大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源
大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)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(kāi)始,日本的一些公司開(kāi)始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門(mén)子公司采用功率晶體管做主開(kāi)關(guān)元件,將電源的開(kāi)關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進(jìn)一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開(kāi)關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現裝置網(wǎng)側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側功率因數僅有0.5~0.6。電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開(kāi)關(guān)功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開(kāi)關(guān)電源的區別是:
（1）不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;
（2）電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
分布式開(kāi)關(guān)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�？刂萍呻娐纷骰静考�,利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而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)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著(zhù)高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)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(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統研究的展開(kāi)。自八十年代后期開(kāi)始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數量逐年增加，應用領(lǐng)域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機車(chē)牽引電源、中頻感應加熱電源、電動(dòng)機驅動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應用前景。
DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時(shí)收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開(kāi)關(guān)電源), 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。
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(shù),開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現小型化,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
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(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)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(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉換開(kāi)關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過(guò)電源轉換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現對UPS的智能化管理,進(jìn)行遠程維護和遠程診斷。
目前在線(xiàn)式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規格的產(chǎn)品。
變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動(dòng)系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過(guò)整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動(dòng)交流異步電動(dòng)機實(shí)現無(wú)級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術(shù)應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優(yōu)點(diǎn)。國內于90年代初期開(kāi)始研究變頻空調,96年引進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)變頻空調器,逐漸形成變頻空調開(kāi)發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。
預計到2000年左右將形成高潮。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。
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、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著(zhù)廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開(kāi)路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問(wèn)題成為最關(guān)鍵的問(wèn)題,也是用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關(guān)控制器,通過(guò)對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)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。
大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源
大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質(zhì)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(kāi)始,日本的一些公司開(kāi)始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門(mén)子公司采用功率晶體管做主開(kāi)關(guān)元件,將電源的開(kāi)關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進(jìn)一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開(kāi)關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現裝置網(wǎng)側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側功率因數僅有0.5~0.6。電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開(kāi)關(guān)功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開(kāi)關(guān)電源的區別是:
（1）不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;
（2）電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
分布式開(kāi)關(guān)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�？刂萍呻娐纷骰静考�,利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而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)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著(zhù)高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)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(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統研究的展開(kāi)。自八十年代后期開(kāi)始,這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數量逐年增加，應用領(lǐng)域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機車(chē)牽引電源、中頻感應加熱電源、電動(dòng)機驅動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應用前景。
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