电力电子技术论文汇总十篇

时间:2022-08-07 12:38:42

电力电子技术论文

电力电子技术论文篇(1)

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“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

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“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

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“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

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“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

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,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。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。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

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。

参考文献

(l)林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992

(2)季幼章:迎接知识经济时代,发展电源技术应用,电源技术应用,N0.2,l998

电力电子技术论文篇(2)

电力电子器件主要是由一些半导体半控器件和全控器件组,主要有IGBT、BJT、MOSMOSFET、GTR等组成。成为了满足广大需求、适应复杂多变的恶劣自然天气、自然灾害,生产出质量高、性能好的电压和电流,要求电力电子器件具有可靠性高,抗干扰能力强,温度稳定性高并且有一定的电气隔离能力,能承受短暂的高电压强电流。电子器件所控制得智能电网应该有自愈性、安全性、交互性、经济性、优质高效、清洁环保市场化程度高。

1.2在风力发电与太阳能发电中的应用

太阳能发电系统由太阳能电池阵列、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中,太阳能电池组件和蓄电池为电源系统,控制器和逆变器为控制保护系统,负载为系统终端,在太阳能的利用上同样面临这类似的问题,光伏发电系统主要以电源方式并入电网,其输出系统的电力跟踪电网电压电流相位变化,同时调整输出电流幅值的大小,使光伏系统注入电网中的功率最大,为了弥补光伏发电系统在功率上的波动,还需要通过控制器对蓄电池的双向充放电,以保证向电网输送平稳的电压电流,和规定的相位,使电网得到纯净的高质量电力。

1.3超高压直流输电技术在智能电网的应用

超高压直流输电技术在远距离大容量输电、异步联网、海底电缆送电等方面具有优势,因而得到了广泛应用。而特高压直流输电更可以有效节省输电走廊,降低系统损耗,提高送电经济性,它为我国解决能源分布不均、优化资源配置提供了有效途径。截至2009年,我国已建成7个超高压直流输电工程和2个直流背靠背工程,直流输电线路总长度达7085km,输送容量近20GW,线路总长度和输送容量均居世界第一。预计到2020年,我国将建成“强交强直”的特高压混合电网和坚强的送、受端电网,预计直流工程达50项,其中规划建设30多个特高压工程,包括5个±1000kV的直流工程。

1.4SVC在智能电网的应用

SVC是一种比较典型的电力电子控制技术,在电网应用中发挥着重要作用,它具有许多作用,可以调节电力系统的电压从而保证其稳定,并通过控制无功潮流来增加系统输送点的能力,提供无功功率给直流换流器,提高电力系统的暂态稳定性和静态稳定性,还可以加强对电力系统低频振荡的阻尼。SVC技术是提高我国电力系统稳定性,解决电网输配电存在的不足之处的一个非常重要的技术,它具有优化潮流和无功补偿的功能,可以有效改善电网的电能质量,提高电网的稳定性、安全性和输电的能力、效率。

1.5在电力分配上的作用

电网应该能满足所有用户的要求,特别是国家电网应该不允许出现这样的缺陷,电网所面临的用户多种多样,包括了普通家庭,医院,工厂,城市照明等,当电力通过电网输送到用户的面前时,还需要电网根据不同客户的要求输出合适的频率、幅值、相位,在面临雷击、短路、及自然灾害的情况下应该任然能维持电网的平衡稳定,积极满足用户的需求。如今。城市用电迅速增长,原来的架空电网的供应已经不能满足用户的需求,在交流的长距离出送中,需要添加电力电子设备,对电网缺失进行补充,增加电力电子设备环节对供电系统起着越来越重要的的作用。

电力电子技术论文篇(3)

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“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

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“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。

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“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

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“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

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,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。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

电力电子技术论文篇(4)

高职院校教学的主要目的是教授学生能力,让学生在毕业后即可迅速投入工作,从而为人力市场源源不断地供应技术型的人才。而电力电子工程作为电气工程及其自动化专业的基础课程,不仅适用范围较广,也是相关高素质技能型专门人才必须掌握的一门课程。传统的高职电力电子技术教学大多沿用的是本科的教学形式,没有体现高职教学的特色,也没有达到高职教学应有的目标。

1目前教学中存在的问题

1.1教学内容陈旧

科技的发展导致电力电子相关技术更新较快,是很多高职院校的教材却没有跟上科技发展的脚步,甚至仍以半控型器件晶闸管为核心器件搭建电路,而事实上在工业中都使用的是功率MOSFET和IG-BT等全控型器件为主流器件,整个电路的结构都发生了重大的变化。此外,由于教学内容过于偏向本科,在教材中对电子电力器械的内部结构以及运行原理介绍较多,而高职学生更多的是需要对元器件的运用能力。由于电力电子电路的种类繁多,很多教材都难以将其进行系统的归纳,不同章节之间完全没有衔接,这就导致学生在学习这些章节的时候难以对新的知识进行理解。教学内容的陈旧以及科学分类的缺乏使得学生很难成长为高素质高技能型应用人才。

1.2教学方法单一

电力电子技术中很多内容都是比较抽象的,如晶闸管整流及其逆变电路、交流调压电路等,这些内容仅仅依靠传统的口述加板书是无法加以展现的,如果学生理解能力有限,教师再怎么去努力也是徒劳的。虽然有的学校可能会进行多媒体的教学,但是学生对电力电子电路的实际构建过程和工作过程缺少形象直观的了解,仅仅依靠教学是达不到这个要求的。学生想要掌握实际应用电力电子产品的能力,就必须进行工程实际体验,而实践教学恰恰是高职电力电子技术教学的薄弱之处。

1.3实践环节薄弱

对于技术型人才来讲,实践教学的价值远比理论教学来得重要。但是在相当多的高职院校中,电力电子技术教学都是以理论教学为主,实践教学占的课时很少,可能学生能够运用一些基础的电力电子电路,但是真正要想对相关电气元件进行灵活的运用,学生远达不到这个要求。这就导致有的高职院校虽然具备了功能强大的实验设备,但是却没有发挥应有的作用。当前电力电子产品的更迭比较快,而学校的实训基地的资源又是有限的,因此高职院校更多的应该考虑的是加强校企合作,以此来增强学生的实践能力。

2课程改革的探索和思考

2.1整合和更新教学内容

教学内容和课程体系的改革是教学改革的重难点,特别是在当前电子电力技术不断发展的当下,教学内容的更新速度很难跟得上各种新型电力电子设备的推广速度,因而当前高职电力电子技术教学对教师知识面的要求更高,需要教师不断的整合和更新教学内容,做到与时俱进的教学。高职的目的是培养学生的能力,因此在教学的过程中一定要把握课程的核心,对于电子电力器件复杂的内部解构以及工作原理都可以一笔带过,这些复杂的公式推导过程对高职学生来讲,并没有什么意义,而对于电子电器元件的参数特性以及使用方法都要详细叙述,首先让学生在理论上掌握电子电气元件如何去使用。其次教学的内容要紧跟当前时代,自动化是当前工业发展的主流,在介绍这些电力电子元器件时应该选用能够代表当前实际应用水平的电路,如功率MOSFET、IGBT及其智能功率模块IPM进行讲述,这样才不至于让学生毕业后产生与社会脱节的现象。

2.2改革教学方法和手段

传统的本科式的讲授方法,对高职学生来讲并没有太大的作用,很少有学生能够凭借自己的能力来分析电力电子电路及其系统结构,因为三相交流电所带来的电路输出波形异常复杂,讲述如何去手动计算也没有太大的意义。而如果能够使用现代计算机仿真技术来进行电力电子电路的分析,则可以在短时间内就帮助学生理解整个知识架构,可以作为高职电力电子技术教学的重要手段。高职电力电子技术的仿真教学可以参见本科院校的课程,本科院校很多都是使用的基于MATLAB软件的电力电子电路仿真,从实践效果来看也相当的理想,因而不妨借鉴本科院校的教学方法和手段,让学生利用仿真电路来理解整个电子电路的架构和运行规律,或许能够在帮助学生理解的同时增强学生的学习兴趣。在技能培养上要采用层次化的方式,首先让学生通过基础实验来了解电子元器件的基本原理,然后利用综合实践来掌握电子电气电路的各部分电路功能和特征,再用综合实训来进一步加强学生的技能锻炼,能够独立完成电路的分析、制作、焊接和调试工作,最后使用现场教学来落实学生的实践能力,提前适应工作岗位的需求。

2.3扩充和创新实践环节

电力电子技术对于实践能力的要求较高,针对当前高职电力电子技术教学缺乏实践环节的情况,必须有效扩充和创新实践环节,利用实践来让学生所学到的理论知识得到验证,从而对电子电路知识有更深的了解。当前很多院校在电力电子技术实践环节上都只安排了基本的实验,对于高职学生来讲这些实验都过于简单,既没有起到提高学生相关能力的作用,又没有充分发挥现有实验设备的功能。高职院校可以保留基本的电力电子电路验证性实验,但是更多的是要基于现有的教学实验设备来开发设计综合性的设计实验项目,以此来增强学生对于电子电路的综合运用能力,在实践中巩固自身的知识,发展实际动手能力。而对于创新实践环节的考核上,高职电力电子技术教学也存在诸多的弊端,考核大多基于卷面分数,考核的结果也凸显不了学生的实际操作能力,这就很可能出现动手操作能力强的学生没有较好的卷面分数,而动手能力不强的学生依靠死记硬背却能够通过考核。在实践阶段的考核要根据学生的学习态度、作业情况、实践报告、实践操作考试等多方面来综合评定,这样才能够客观地评价学生的成绩,确保每个经过创新实践环节的学生都能够有良好的动手操作能力。而在电子电气技术不断更新的当下,仅仅依靠学校的实践基地是无法满足教学的需求的,学校应该加强与校外企业的联合建设,在教学过程中可以聘请校外企业的专业人员到课堂来讲授电气元件的操作和运行。也可以让学生到企业中去亲手实践和见证电力电子装置的运行情况,从而加深学生对课程的理解和印象。而对于表现优异的学生可以直接选择进入企业就业,无意进入企业就业的学生也拥有了较强的动手操作能力,有工作的资本。

3结语

当前我国的电子电力行业正处在飞速的发展中,需要大量的高素质技术性人才。虽然高职教学的目的就是为人力市场提供技术型人才,但是很多高职的电力电子技术教学都存在理论与现实脱节的情况,导致毕业的学生不能马上适应工作条件。对此高职院校有必要更新电力电子技术教学的内容,丰富教学方法,创新实践教学环节,从而让学生从书本上学习到的理论知识能够实际运用于生产之中。

作者:陈杰金 霍览宇 单位:湖南机电职业技术学院

参考文献:

电力电子技术论文篇(5)

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,dildt4kA/ms,du/dt10-20kV/ms,交流阻断电压6kV,直流阻断电压3.9kV,开关时间<2ks,导通压降3600A时,2.8V,开关频率>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。

电力电子技术论文篇(6)

1.2为课程群建设、产学研相结合的进一步探索研究奠定基础电力电子技术已逐步发展成为一门由现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术多学科相互渗透的综合性技术学科。通过课程改革,为电力电子技术精品课程建设、课程群建设奠定良好基础。此外,通过课程改革,探索适用于我校的电类专业卓越工程师特色培养模式,并促进教科研和企业项目合作与承接等工作的深入开展。

2教学改革方案的实施与主要特色

为努力改变该课程原有的难教难学的状况,教学改革方案从以下几个方面实施:

2.1重新编排教学内容,突出课程实用性和趣味性改变传统教学中对四大变流电路孤立、单一的学习模式,引入生活中常见电路以及电子小制作的实例,通过一系列具体电路系统设计过程的演示,将《模拟电路》、《电机与电气》等前期专业课程的知识与《电力电子技术》所学理论知识相联系,展现课程强弱电结合、多学科融合的特点。并且,在保证理论基础扎实前提下,增加日常电路分析和设计实践环节在整个教学过程中所占比重,以实例激发学生自主学习兴趣,以兴趣带动能力培养,在这一过程中培养学生的读图、分析、画图、简单电源电路设计等能力,实现理论与应用相辅相成、有机结合,最终提升学生工程应用方面的综合素质。

2.2采用引导型教学方式,注重教学过程中的互动性和学生分析解决问题能力的培养授课过程中注意开展互动,通过采用提出启发性问题—共同讨论—获得结论—实验验证的方法,在教师“教”与学生“学”的过程中不断发现问题和新的突破点,将学生被动接受知识的过程转化为其不断解决问题的过程,使学生主动学习、开放思维,并在此过程中加深相关理论的理解,训练其分析和解决问题的能力。

2.3充分发挥多媒体教学优势,改变理论教学抽象、刻板的现状电力电子技术重视对电路波形的分析。课程原有的单一的板书或简单PPT课件加板书的传统授课形式课堂信息量较少,不够直观,不能解决学生缺乏学习兴趣,接收效果较差等问题。利用PowerPoint、Flash、视频等多媒体手段,不仅能使波形分析更为直观,还能方便地展示电路在不同条件下的工作状态,以及课程内容在实际生产中的应用。既可使教学内容更加丰富,还使分析过程不再枯燥抽象,分析结果生动醒目,便于学生理解。

2.4以实际系统分析为手段,提高学生知识融会贯通的能力改变对变流技术中各典型电路孤立的讲解,通过带领学生进行典型的电力电子系统分析,结合系统供电、控制等模块电路结构、原理的介绍,体现该门课程电力、电子和控制学科间的交叉性,使学生学会将与课程相关的专业课内容灵活运用于电路分析和设计应用中,提高他们对所学知识的融会贯通能力。

2.5引入专业常用仿真软件,激发学生学习兴趣,培养基本专业技能专业仿真软件在现代工业设计及应用中的作用越来越显著,掌握一至两种仿真软件工具将成为工科学生应具备的基本素质之一。同时,在教学过程中,利用仿真软件对电路工作情况进行仿真,可以使分析过程更为直观,有利于激发学生学习兴趣。目前,电力电子仿真软件主要有Matlab、Pspice、SIMetrix/SIMPLIS和Saber等,其中Pspice和Matlab在开关电源开发应用中具有重要作用,被相关企业广泛运用[4]。在教学改革中,通过在课堂教学和实验环节中引入建模的基本原理与过程,既能使课堂教学和实验更加生动直观与安全,还能引导学生学习软件的应用,使他们具备基础建模能力,有助于满足企业对于学生基本专业技能的要求。

2.6开发一批设计性、综合性研究实验,培养学生的应用、创新能力利用学校电力电子实验室和软件仿真的资源,结合当前热门课题和企业需求,开发一些设计性、综合性较强的实验,或通过课程设计、毕业设计的方式指导带领学生进行研究设计。实验的开发以培养学生应用创新能力为主要目的,既有助于学生巩固所学知识,提高知识综合运用能力,又可为电子设计大赛等专业比赛人才选拔奠定基础。

2.7以课程改革为契机,积极拓展校企合作途径,开发产学研项目,提升教师科研水平在课程改革中,积极寻求校企合作的新途径,深化校企合作的内容,将企业实际项目作为教学的实践、提升环节,依托学校的实验实训中心,以教师为主导,学生进行设计、验证配合,不仅可以极大地激发学生学习和实践的兴趣,同时也有利于教师自身科研水平的提高。

电力电子技术论文篇(7)

二、仿真教学过程实例分析

由于电力电子技术课程中的各种电路形式复杂多样,因此以三相桥式全控整流电路为例,来说明电力电子技术的仿真教学过程。三相桥式全控整流电路在工业生产中具有重要位置,大量用于电解、电镀、直流电机传动、励磁等场合,因此该电路是电力电子技术课程的重点内容。三相桥式全控整流电路为如上所述教材的3.2.2节内容,主要包括电路原理图、电阻性负载、阻感性负载工作情况三部分内容。该节课程的知识目标定位于掌握三相桥式全控整流电路的组成、特点及应用,理解三相桥式全控整流电路的工作原理;能力目标定位于能够根据电路图搭建相应电路并进行测量,同时能够根据任务要求开展相关实验。该节课程的仿真教学过程中首先让学生掌握电路结构,然后针对不同负载情况下,让学生理解工作原理并学会波形分析及参数定量计算,最后结合“自动控制原理”及“电机学”课程相关内容,给出仿真实验任务,目的让学生逐步进入状态,逐步掌握学习这门课的方法,下面给出仿真教学中需要注意的教学重点,其它教学部分可参考相应教材,这里不再赘述。

1.三相桥式全控整流电路结构该部分首先介绍三相桥式全控整流电路是目前应用最广泛的整流电路,它区别于单相整流与三相半波整流,具有功率大、直流脉动小等优点,同时采用幻灯片播放实际应用案例的形式,来增强学生对该部分内容的感性认识,并提高学生的学习兴趣。其次,介绍该电路中包含六个晶闸管元件,是目前学习中器件最多的电路,需要学生们认真理解六个晶闸管器件的触发工作过程。再次,采用MATLAB仿真软件搭建三相桥式全控整流电路原理图,如图1所示。搭建的过程中,一定要强调以下几点:①晶闸管器件编号务必为共阴极组内VT1、VT3、VT5,共阳极组内VT4、VT6、VT2;②晶闸管门极触发脉冲顺序务必为VT1-VT6;③晶闸管触发脉冲相位间隔60度。

2.带电阻性负载情况分析前面讲解完三相桥式全控整流电路搭建后,真正进入到电路工作原理、波形分析及定量计算部分。进一步完善上面仿真电路原理图,将负载选择为电阻性负载,并增加若干示波器观察点,其中三相电源设置为幅值100V、频率50Hz,电阻负载2Ω,仿真参数设置为仿真起始时间0.0s,结束时间0.1s,算法选择ode23tb。带电阻性负载情况下的教学重点为:①不同触发角下的波形分析;②负载电流的连续与断续分析;③晶闸管的单触发脉冲与双触发脉冲形式。其中难点内容为连续与断续状态下的脉冲形式。首先通过仿真详细讲解30度触发角时的波形情况,要求学生在给定电源条件下能够正确理解触发脉冲、直流负载电压、直流负载电流、晶闸管承受电压和交流电源电流的波形。讲授过程中需要注意:①触发角的触发时刻,由于三相整流电路的自然换相点对应A相电压波形的30度位置,因此30度触发角情况下的晶闸管VT1触发时刻为60度位置,换算成时间为0.0033s;②将整个电源周期分成6段,每段先确定6个晶闸管的导通与关断状态,再分析其他电量;③特别注意强调线电压波形及波形画法。然后,利用仿真教学的优势进一步讲解如上教学重点要求,如图3所示为60度和90度触发角下的晶闸管触发脉冲情况和直流输出电压波形情况。图中可以清楚的看到60度触发角为负载电压和电流连续与断续的临界点,90度触发角时清楚的看到负载电流为断续状态,同时各个触发脉冲为保证电流断续下正常工作而变成双触发脉冲形式。为了让学生能够更深入的理解电阻性负载时的工作情况,在仿真教学过程中,可以采取更小的脉冲角度间隔对多个触发角进行多次仿真,这样更能深入理解随着触发角的增加,直流负载电压不断降低的过程。

3.带阻感性负载情况分析当三相桥式全控整流电路带阻感性负载工作时,其特点就是能保证负载电流续流而不出现断续的状态,因此该部分的教学重点为:①让学生能够清楚的理解整个移相范围内负载电流总是连续的工作状态;②由于电感的作用,负载电压会出现负的部分;③大电感状态下,负载电流近似为一条直线。图4为触发角为90度时三相桥式全控整流电路的波形情况,与图3中触发角为90度情况进行对比,可以清楚的看出阻感性负载时的直流负载电压波形既有正向波形,又有负向波形,负载电流波形始终处于连续状态,同时还可以通过仿真教学清楚的展示电感为5mH和200mH时的直流电流波形,其中5mH时电流波形脉动较大,而200mH时电流波形脉动较小,近似为一条直线,这也充分说明当电感值为200mH时,感抗相对于阻抗来说充分大。

4.仿真实验任务:直流电机闭环调速系统完成如上规定的仿真教学任务后,可以给学生布置相应的仿真实验任务,结合直流电机原理和闭环控制原理,安排直流电机闭环调速系统的仿真实验,可以安排在实验课中完成或课后自行完成。仿真实验任务如下:(1)仿真参数设置:仿真起始时间0.0s,结束时间5s,算法选择ode23tb。(2)系统要求跟踪恒值速度给定500r/min。(3)转速调节器设定为比例控制,要求分析不同负载转矩、不同转速比例调节下的电机电压、电流和转速波形。这里给出用于教学参考的系统仿真结构图及电机电压和电流波形,如图5和图6所示。由于直流电机为阻感性负载,因此通过仿真实验可以更深入的认识阻感性负载下的三相桥式全控整流电路的工作过程,直流负载电压即电机供电电压有正负波形,直流负载电流即电机电枢电流为连续状态且近似为一条直线,转速波形由学生在仿真实验中自行观察。

电力电子技术论文篇(8)

(1)在电力计量中,有功电能的计量出现误差。电力计量中的有功电能是三相四线系统,由三相三线二元件电度表来对电力进行计量。三相中的每一相都能够与零线相连,成为一个单相回路。如果负荷不平衡而导致了零序电压的产生,零序电流流过零线,三相电流之和出现异常。而三相三线二元件电度表没有对被零序电流消耗的功率进行计算,在电力计量时就会少计电量。

(2)电阻过大造成计量误差。在三相四线三元件电度表中,存在较大的中性线电阻,这就会造成电力计量的误差。有些计量点虽然已经开始使用三相四线三元件电度表,但电阻过大的情况依然会出现。这主要是由于施工失误或者其他原因,中性线被断开。这就造成接触电阻和中性线电阻都过大,严重影响了电力计量的准确性。

1.2没有齐全的电力计量装置配备

(1)一表乘三的计量方式。很多三相不平衡的地区却使用一表乘三的方式来对电力进行计量,这显然不能对电力进行有效的计量。

(2)无表估算的计量方式。该方法对用户用电量的计算方式是从用户用电时间和用电设备的容量进行估算。而居民用电的连续性并不强,更没有高抚负荷率。这种方法的主观性太强,很容易造成人为的管理漏洞,对电力的计量准确性很低。

(3)对电流互感器没有合理的使用。不合理的使用主要包括CT外接负载重和CT变比大两种。除了不合理的选择之外,低负荷的配变也是造成CT变比大的重要原因。由于CT选择电流的标准是配变额定二次电流,因此,CT的选择精确度高于运行精确度,当负荷率较低时,就容易造成电度表的误差。此外,由于一些计量点的引线过长而且引线的截面太小,造成较大的接触电阻,致使CT外接的负载较重。

1.3没有对计量装置进行正确的安装

接地线没有安装牢固,就会导致较大的接触电阻值,引起误差。如果计量点对计量设备的安装工艺不规范,造成电度表过大的倾斜,也会产生误差。当负荷率较低时误差也会随之增大。如果外界的温度和环境发生改变,就会引起电压、电流、制动磁通、相位角等因素的改变,温度附加误差增大,因此冬季的电力计量准确性较差。

2如何提高电力计量的准确性

2.1从电力计量的技术标准方面进行改善

(1)研发并推广先进的电力计量技术,能够极大的改善电力计量不准确的情况。电力计量装置要对电能表、互感器和二次回路进行科学的选择,电能表的稳定性和精确度都必须达标,对于不符合国家相关标准的电能表要及时淘汰,并予以禁用。要引进先进的电力计量管理经验和先进技术,提高电力计量的技术水平,并建立符合实际的电力计量检测体系。电力企业要在相关部门的指导下,不断学习和引进新技术和新产品,不断对现有的电力计量工作进行改进,特别是要及时淘汰一表乘三和无表估算等落后的计量方法。

(2)在运行管理中强化轮换和周检。要对电压电流互感器的合成误差进行管理,在二次负荷范围内可以对其进行准确度的控制。可以用误差补偿器和误差互补的办法来补偿计量综合误差,提高电力计量的准确性。

2.2对计量选型定表进行综合分析

(1)对动力电进行合理的计量,这就需要对动力和照明的电量进行合理计量,以防止表前窃电。对计量点进行合理的结构设计,最好将表闸和灯动进行分开计量。验收配变台要进行合理设计,互感器、动力电度表和熔丝、刀闸开关要隔开装置。表门钥匙由电力企业掌控,用户掌控刀闸开关钥匙。计量点要保持良好的密封,降低外界环境对计量精确度的影响。

(2)正确的接线方式能够减少电力计量的误差。一组电流传感器不能同时具有电能表和二次设备。最好使用一组二次绕组的计量表,降低电压互感器的阻抗。要保障电能表的电流线有足够大的截面积,以免负载过重。

2.3加强管理水平,实行标准化管理

对电力的计量必须严格按照《计量法》,电力企业还要建立和完善各种相关制度,以制度来提高电力企业的电力计量水平和管理水平,加强各部门之间的岗位配合和衔接,做好动态管理,建立责任制度和奖惩制度。要对电力计量设备进行强制检验,现场对设备进行校验,对不合格的电能计量表坚决淘汰。电力企业要加强对计量人员的培训力度,提高计量人员的技术水平和整体素质,不断引进高素质的计量人才。要对计量人员进行标准化的管理,并定期为计量人员提供学习培训的机会,提高计量人员的计量水平,减少人为误差。

电力电子技术论文篇(9)

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、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。

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。

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。

二、电力电子技术的应用

1、一般工业

工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能,给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。近年来,由于电力电子变频技术的迅速发展,使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美,交流调速技术大量应用并占据主导地位。大至数千kW的各种轧钢机,小到几百W的数控机床的伺服电机,以及矿山牵引等场合都广泛采用电力电子交直流调速技术。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置,以达到节能的目的。还有些不调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置,这种软起动装置也是电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源,电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频、中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。

2、交通运输

电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置,交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中,电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外,车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制,其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机,它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶需要很多不同要求的电源,因此航空和航海都离不开电力电子技术。如果把电梯也算做交通运输,那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统,而近年来交流变频调速已成为主流。3、电力系统

电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据估计,发达国家在用户最终使用的电能中,有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中,电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说,如果离开电力电子技术,电力系统的现代化就是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势,其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔流输电(FACTS)也是依靠电力电子装置才得以实现的。无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统,电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等,以进行电能质量控制,改善供电质量。

在变电所中,给操作系统提供可靠的交直流操作电源,给蓄电池充电等都需要电力电子装置。

4、电子装置用电源

各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源,现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中,以前大量采用线性稳压电源供电,由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高,现在已逐渐取代了线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电源,所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。

5、家用电器

照明在家用电器中占有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源,通常被称为“节能灯”,它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外,有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。

电力电子技术论文篇(10)

2风电并网逆变系统介绍

由于风能的不确定性,风力发电机发出的电能的电压、频率也是时刻变化的。为了不对电网造成污染,风电并入电网必须满足并网条件,以电网电压同步信号作为系统输出电流的跟踪信号,使输出电流快速跟踪电网电压。为了满足此并网要求,风力发电机发出的电能需要经过交流-直流-交流的变换并入电网,并网逆变系统通常包括整流、逆变、滤波、输电等环节。

3电力电子技术在风电并网逆变系统中的应用

3.1在发电机组及其整流环节的应用

早期的交-直-交并网逆变系统采用晶闸管相控整流器,这种系统需要增加无功补偿电路,电力电子技术的发展使得PWM整流逐步取代了相控整流,PWM整流器逐步成熟,改善了发电机的功率因数。当前的风电机组已经成为结合了先进的空气动力学、机械制造、电子技术、微机控制技术的高科技产品,因此风力发电系统中不可或缺的重要组成部分就是高科技的电力电子技术。风力发电的有效功率与风速之间是三次方正比的关系,对机组进行变速运行,可使风力发电获得最大有效功率,电力电子技术在发电机组的应用,改善了发电环节中发电机的运行特性。此外,对转子励磁电流的频率进行调整,可确保输出频率恒定,风力发电机的变速恒频励磁技术的核心在于变频电源。随着电力电子技术的发展所研制出的开关磁阻发电机应用于风电并网逆变系统中,不再需要增速装置,而是直接驱动。提高了可靠性,降低了维护量及其费用,减少了组件,集成度也变得越来越高。

3.2在并网逆变系统控制环节的应用

电力电子技术中的大功率开关管、功率器件等的使用促进了并网逆变系统中DSP周围硬件电路的进一步发展,实现了功率器件驱动电路对IGBT导通和关断;采用基于DSP的控制系统,实现了信号检测、锁相跟踪、PI调节、SPWM形成等各功能模块的软硬件实现,不但满足了控制电路的要求,还能够完成并网安全控制和故障保护等实时性、快速性要求很高的控制功能,提高了控制电路的可靠性。特别是一些新技术的开发,让风电并网逆变系统体积变得越来越小,自动控制能力越来越完善。

3.3在风电输送及节能方面的应用

我国风能资源丰富,但能源分配不均衡,解决办法通常是建立电力外送大通道。由于长距离高压输电的线路造价低、电能损耗小等特点,通常采用高压输电,电力电子技术在高压输电方面的的应用不仅降低了设备的资金投入,而且解决了系统稳定性差的问题。此外,电力电子技术在输电系统的主要应用是柔流输电技术,这项技术实现了对输送功率的快速控制,增强了电网的稳定性,降低了电力传输的成本,在很大程度上改善了系统的输电能力。

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