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现代电力电子技术论文模板(10篇)
时间：2022-12-30 08:51:12
导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇现代电力电子技术论文，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。
篇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。
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。
篇2
中图分类号：TM1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0229-01
现如今的高新技术有很多都是和电网的相位、电压、电流和频率等基本参数的转换与控制相关。现代电力电子技术能实现对这些参数的高效处理与精确控翻，对大功率的电能频率的变换能够得到很好的实现，这样可以支持多项高新技术的发展。
1 现代电力电子技术的内涵
现如今电力电子技术主要是处理的对象时功率，主要是来实现高效率和高品质的用电。电力电子技术主要通过电力半导体器件和自动控制技术、计算机和电磁技术的三者综合运用来实现获取、传输、变换和利用。在各种高质量、高效和高可靠性的电源中能够起到非常重要的作用，可以让当代的电力电子技术得到很充分的运用。功率IGBT和MOSFET是非常具有代表性，其功率半导体复合器件主要具有高频、高压和大电流等的特点。这类的特点也意味着传统的电力电子技术不能够适应现如今的社会发展，电力电子技术已经进入了一个全新的高速发展的时代。具有功能驱动、节能明显和先进等特点的IGBT，MOSFET等新型电力电子器件，所以可以在新型家电、感应加热、通信、计算机电源和电动交通工具等领域中有很好的发展前景。
2 现代电力电子技术的历史沿革
电子技术和微电子技术在80年代以来在各自的发展滞后得到了有效的结合，也就产生了全新概念的全控型的高频化电力电子集成器件。可关断晶体管（GTO）电力晶体管（GTR）以及此类晶体管的模块也得到了实用化。从此滞后，各种高频化和全控化的新型器件也相继出现，例如（功率MOSFET）绝缘门板晶体管（IGT或IGBT）、静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（srrH）、MOS晶阐管（MCT），MOS晶体管（MGT）。这也意味着一个具有高频化和全控型的全新电力电子器件时代的诞生，传统的电力电子技术即将被淘汰。代电力电子技术大跨步进入高速发展的新时代。新一代电力电子器件的特点主要有多功能化、高频化、全控化和集成化。新型多功能的器件的出现促进了控制系统和变流电路的技术不断发展和成熟。现如今电力电子技术主要是由各种PWM电路、高频斩波电路和脉宽调制双零谐振电路组成。因此从今天的时代进入变频器，极大地丰富了电力电子技术的功能，不断开拓新的应用领域的时代的传统不断变化的需求的电力电子技术。
3 现代电力电子技术的发展
电力电子技术的发展自从20世纪90年代以来主要具有两个方面的特点：电子技术与微电子技术的不断完善结合和现有的各类新型电力电子技术器件参数的不断完善和提高。电力电子器件的发展特点使其迅速的想着大容量化和智能化的方向不断的发展，也预示着一个电力电子技术来到全新的时代。电力电子技术是多技术和多学科的相互渗透和创新结合的技术，在工业领域中对具有很强的渗透性。80年代后期，主要是以各种PWM电路和全控型新器件的现代化电力电子技术为代表。在此时代主要是家用电器等、交流电气牵引以及交流调速系统等领域运用的比较频繁。这个时代的发展预示着电力电子技术进入了新的发展阶段。在这个时代的电子电力系统当中，大型机组工作状态的改变和运转变流装置起着非常重要的作用。现代主要是给与直流输电以及系统运行的成熟控制和测试等安全保护提供一些技术手段。超导磁浮铁道系统主要有机车牵引、轻轨车以及地铁在电力电子技术应用领域已经非常普及。日本在火车在高速运行时有PWM逆变交流牵引系统取代原来的直流系统的技术是世界第一。先进的国家都非常的关注超导磁浮铁道系统的研究，其能够让火车高达500公里每小时。这样能够解除交通压力和提高运输能力，对国民经济的发展有着非常重要的作用。现如今的电力电子技术是传统产业和信息产业的主要是被控强电、弱电和接口桥梁。此技术的发展能够提高生产效率、降低消耗和节能。
4 结语
电力电子技术能能够让国家的基础产业得到非常快速的发展，其与国家发展的方针和政策的配合下能够在21世纪显得尤为重要。因此，电力技术成为了21世纪可持续发展不可或缺的组成部分，成为高科技产业链的关键所在，能够推动我国的工业技术创新。
参考文献
[1]刘莉宏.现代电力电子技术的发展及其应用[期刊论文]《北京工业职业技术学院学报》，2006年3期.
篇3
传统的教学模式采用循序渐进的方式，即从功率器件介绍到典型电路及具体应用。但这种教学模式不容易激发学生学习的兴趣，也很难培养学生自主学习和研究的能力。为此，在教学一开始就通过大量的图片向学生展示电力电子技术在工业生产、新能源发电、交通运输等方面的应用。通过这些生动形象的实例，让学生明白电力电子技术其实与日常生活是紧密结合的，以此调动学生学习的兴趣。
1.2项目教学法的应用
传统教学方法过多地依赖理论教学，采用以“教师为中心”的注入式教学模式，使学生失去了应有的学习兴趣。因此，结合工科学习的特点，将现代电力电子中的知识内容转化为若干个教学项目，围绕“做项目”的模式组织和展开教学，使学生直接参与项目全过程，极大地提高系统调控能力。比如，蓄电池充电控制是电力电子变换和控制技术在电源技术中的典型应用。在教学一开始就提出实际问题：如何对蓄电池充电控制？让学生带着问题去思考、去学习，教师在此项目执行的过程中可以适当地加以引导。1）交流电网对48V蓄电池进行充电控制，需要用到AC/DC或AC/DC-DC/DC变换器，因此，需要学生掌握典型电路的设计方法，包括开关管、二极管选型，电感、电容参数选取及设计。2）蓄电池的工作方式有恒流充电、恒压浮充电、均衡充电和放电。常采用恒流和恒压相结合的快速充电方法，需要采用电流内环、电压外环的双闭环控制，即先以恒流充电至预定的电压值，然后改为恒压完成剩余的充电。因此，需要将现代电力电子技术与前期所学的模拟电子技术和自动控制原理等课程有机结合，形成一套完整的知识体系。3）电路设计后，可以利用MATLAB、Saber等仿真软件对所设计电路进行验证，通过仿真，加强学生对理论知识的理解。4）设计实验样机，实现所要求的蓄电池充电控制装置，培养学生在知识综合应用、系统设计、工程实践和创新实践等多方面的能力。
1.3现代化教学手段的利用
现代电力电子技术涉及的电路和波形图多且复杂，可以采用多媒体教学，通过动画演示增强学生对典型电路的感性认识[3]。同时，多媒体授课的信息量大，可以提高教学效率，给学生创造最真实、直接、感性的学习情景。此外，网络教学可以弥补课内教学学时少的局限，引导学生开展自主性学习[4]。南通大学校Blackboard网络平台提供了与课程相关的丰富的资源，包括教学资源（教学大纲、多媒体课件、实验指导书等文件）、参考资源（学术论文、常用仿真软件、典型应用案例等信息）、复习思考题（作业讲解、自测等系统）。通过此平台，加强学生与教师（学生）之间的交流讨论，创造“教”与“学”互动的网络教学环境。
2加强实践教学
现代电力电子技术应用性、实践性强，因此有必要加强实践教学，培养学生的动手与创新能力。
2.1课内实验教学
课内实验是在课堂教学的基础上，进一步巩固理论知识，提高学生的动手能力、解决问题和分析问题的能力。实验项目遵循“理论分析仿真验证硬件实验测试波形数据分析总结”的模式，以此培养学生形成理论联系实际的科学实验作风。
2.2开放创新实验
现代电力电子技术实践性较强，如果完全依靠课内实验教学是远远不够的。因此，有必要鼓励和支持一些优秀大学生多参加大学生实践创新训练项目和全国大学生电子设计大赛，不断提高他们的创新创业精神和实践能力。大学生实践创新训练项目是由学生主持，通过团队协作完成一个完整的课题项目。从项目选题、文献搜集、方案制订、可行性分析、仿真验证、实验调试、总结等方面组织学生独立开展工作，均充分发挥了学生的主动性和积极性。全国大学生电子设计大赛几乎每年都有与现代电力电子技术相关的题目。因此，通过大赛，可以使学生进一步巩固所学知识。与此同时，要在有限的竞赛时间内取得好成绩，学生必须学会“面对问题、分析问题、给出新思路、解决问题”的方法，极大地培养了学生的实践动手和科研创新能力。
篇4
作者简介：茅靖峰（1976-），男，浙江宁波人，南通大学电气工程学院，副教授；顾菊平（1971-），女，江苏南通人，南通大学电气工程学院，教授。（江苏 南通 226019）
基金项目：本文系江苏省高校“青蓝工程”基金项目、南通大学教学研究基金项目（项目编号：2011B50、2010B10）的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）33-0032-02
近20年来，电力电子技术受计算机技术、控制技术与材料科学等关键技术的推动，得到了快速发展，其工程应用领域得到了迅猛扩张。由现代电力电子技术支撑的新型产业和对传统行业的技术改造，如新能源、绿色交通、智能电网、先进伺服驱动、极端环境探索、节能减排等，都取得了巨大的技术经济效益与社会效益，展现出了良好应用前景。[1，2]
为了适应电气信息类工程应用学科的发展，保持教学内容的新颖性，跟踪电力电子技术的最新热点，自2006年以来，南通大学电气工程学院开设了“现代电力电子技术”课程，在传统“电力电子技术”课程学习的基础上，结合地方经济发展特色和技术需求，讲授现代电力电子技术高级原理、新器件与新型工程应用，以此提高学生理论联系实际的工作能力，培养市场应用型人才。本文从该课程的教学目标、教学内容、实践教学和网络教学等方面，介绍了课程教研组对这门课程的教学改革和实践情况。
一、传统教学存在的问题分析
1.装置与系统级的概念不突出
传统的“电力电子技术”课程教学，侧重于器件级的理论分析，强调基于电力电子器件的电路拓扑解算，即以电力电子器件为核心，在器件基本结构、原理和特性学习的基础上，针对典型电力电子拓扑原理电路，从电力电子器件的通和断两个状态入手，对电力电子电路换流的物理过程、波形特性、电参数之间的数量关系进行分析和计算。
该教学结构的优点是概念清楚、体系完备、机理分析透彻，但也存在诸多弊端。例如，学生将电力电子学过多地关注在了电力电子器件上，弱化了从装置级和系统级的角度对电力电子电路进行理解和认知；割裂了电力电子功率电路与基于反馈原理的数模电控制电路、自动控制原理、工程实际应用电路之间的关系；大篇幅的基于晶闸管器件的理论分析和计算，降低了学生学习的兴趣；单一和过少的工程应用实例，减少了学生对课程实用性的认同感等等。
2.实践教学环节薄弱
电力电子技术作为工程技术需要有一定量的实验和实践环节才能保障学习效果。但在传统的“电力电子技术”课程实验项目中，基础性和简单验证性实验较多，不能很好地与当前的工程实际应用相联系，致使许多新技术、新方法无法通过实验来直观的体验。
而且电力电子实验设备的常用形式为基于挂件结构的实验台和实验箱，基本上与实验内容相关的重要元器件、电路和系统都被封闭于内。实验过程中，学生们无法看到功率元器件、配件及电子仪表的外观和关键连线。学生依照原理图机械地连接主电路、记录实验数据和波形，即使不了解电路的工作原理，也能较顺利地完成实验。因此，无法发挥学生的主观能动性，没有探索学习的动力，锻炼创新思维和动手能力的教学内容和平台也不足。
二、课程教学改革措施
1.以服务地方经济发展为导向，确立教改思路和目标
作为地方综合性高校，南通大学的电气工程及其自动化专业的定位是培养应用型工程技术人才，为区域经济发展提供智力支撑和人才支持。因此，本课程作为电气工程及其自动化专业的主干专业课程之一，其教学目标的确立需结合本区域的产业分布与发展特点，同时又紧紧围绕本专业的学科方向。
形成了以帮助学生从装置和系统角度理解和掌握电力电子技术，培养理论与实践能力兼具的创新型电力电子应用技术人才为目的，以新能源、运动控制、电源技术、柔流输配电等应用领域为背景，以讲授电力电子技术在实际工程应用中所需要处理的相关问题为主要内容的课程教学思路和培养目标。
2.整合教学内容，突出应用能力培养
根据培养目标，在学院学科特色和现有教学资源的基础上，对课程体系和内容进行了合理调整。舍弃了传统的以大篇幅晶闸管半控器件分析为主线的教学内容体系，建立了“以基于全控器件的实际应用为主线，以电力电子主拓扑电路结合系统级的自动控制原理及其实现电路分析为主要技术内容，培养学生从整体的角度认识和设计电力电子电路的能力”的课程教学体系。
整合后的教学内容由三部分组成：功率器件、典型电路、应用及其系统。功率器件是基础，重点讲授开关全控器件及其驱动电路；典型电路是主体，重点讲授基于全控器件的直直、逆变和整流三种变换电路及其控制机理；应用及其系统是提升，重点讲授电力电子在新能源发电、运动控制、电源和柔流输配电技术中的应用原理及其典型系统设计案例。三者层次明晰，但学时又有所侧重。即前两部分作为前续“电力电子技术”课程内容的回顾与拓展，讲授学时占总理论学时的近一半，第三部分作为工程应用与系统提升的重要部分，需着重讲授，以逐次勾勒出一个电力电子技术及其工程应用的整体全貌。
在教学内容的组织与讲授中，凝炼理论教学的内容，在原理的讲授中注意培养学生面向工程的意识和思维，并及时动态地将教学团队获得的最新科研成果以及科研项目的最新进展融合到相关的课程内容中去，让学生接受到来自科研和工程研发第一线的新知识、新技术。
另外，针对基于电力电子技术应用的电气工程及其自动化专业发展的趋势和前沿内容，以及课程中被压缩掉或被取消的专业知识，设置为系列课外专题讲座，聘请对专题内容有深入研究和独特造诣的教师及企业的科技人员讲授，以开拓学生的知识面、培养学生理论联系实际的思维及能力。
3.加强课内实验环节教学，注重理论联系实际
课内实验是在课堂教学的基础上，巩固理论知识，培养动手能力和初步设计技能，增强解决问题和分析问题的能力的必要教学一环。为了突出课程的工程实用性，采取了优选验证性实验，增加了设计型和综合型实验项目的课内实验设置方法。
注重电路的工作机理分析与工程实际问题是验证性实验项目的选择标准。优选的该类实验项目包括：常用PWM控制器件及特性、不控整流的谐波与抑制、SPWM/SVPWM/方波PWM逆变策略的实现电路及特性等。
注重工程实用性是设计型和综合型实验项目的选择标准。我们要求学生们对该类型的实验项目遵循“理论设计计算—>计算机仿真验证—>硬件实验电路测试—>波形数据分析总结”的顺序开展路线，以强化学生对知识点的掌握和实验内容的理解，并促进学生形成理论联系实际的科学实验作风。
增设的实验项目包括：各型升/降压直直变换器设计、有源功率因数校正器设计、谐振软开关设计、三相高频PWM整流器设计，以及他们的复合系统设计等。
课内实验项目设置为必修和开放式的选修两类，以弥补实验授课学时不足的矛盾，同时采取“案例讲解法”、“实物演示法”等不同的教学方法，在实验课上认真讲解实验内容、步骤和注意事项，以激发学生兴趣，调动其积极性。
此外，应改革课内实验成绩的评定方式，突出对实验过程的考核，鼓励探索性的设计型实验。具体措施包括增加课内实验在课程总成绩中的权重，增加实验预习报告、实验操作测评、实验过程问辩三方面的成绩考核项等，通过确立科学合理的考核方法，调动学生自主学习的积极性，形成务实的学习风气。
4.优化课程设计环节，培养工程设计能力
课程设计是对学生工程设计和应用能力、创新意识和创新精神培养的重要环节，其课时安排在全部理论课程讲授完毕后进行。
该实践环节依托于以现代电力电子技术与运动控制实验室为主体，以工程训练中心、控制电机、虚拟仪器、风力发电动模实验室等其他专业实验室为辅助的课程设计开放式创新训练实验平台。[3，4]课程设计内容以学生熟悉并感兴趣的热点工程为背景，从南通大学电气工程学院专业与学科特色以及科研项目中，提炼出其中典型的技术问题，设计出合理的课程设计项目。可选的背景包括：风力发电、光伏发电、精密电机伺服驱动、电力无功与谐波控制、磁悬浮控制、特种电源等。其中的典型技术问题包括：整流、正弦逆变、直直变换、Delta逆变、闭环自动控制、检测技术等。
针对少部分优秀学生采用“导师制”的课程设计教学方法，通过细致的指导，紧密的设计过程跟踪，来进一步提高课程设计质量，并促进这部分学生研究性论文、专利、小制作等方面成果的形成。
针对大部分学生采用“项目驱动教学法”的课程设计教学方法。学生以小组为单位，在选题库中自由选题，利用书刊、网络查找相关资料，自主形成完成项目的各种设计思路，以培养学生独立思考问题、解决问题的能力。
通过课程设计的锻炼，使学生将书本上的理论知识和实践经验真正融入了自己的知识链，提高了其综合能力以及自主创新和团队协作能力。
5.注重网络教学资源建设，提高自主性学习能力
网络教学是弥补课堂教学学时局限，开拓课程学习的知识面，引导学生开展自主性学习，提高人才培养质量的重要途径。课程组以校Blackboard网络教学平台为基础，通过长期投入、持续积累、动态跟踪的建设方式，建立了课程的网络辅助教学平台。
网站的教学材料提供了与课程相关的丰富的资源，内容包括教学资源库（课程教学大纲、多媒体课件、实验指导书、数值仿真实验例程、实验设备操作视频等文件）、参考资源库（经典学术论文、典型芯片和模块的使用手册、常用仿真软件说明、典型应用设计案例、产业趋势和研究热点等信息）、复习思考题库等版面区。
此外，课程组充分利用Blackboard网络平台的交互功能，完成诸如教学信息、在线电子试卷测试、远程答疑和讨论等教学工作，提高了教学的效率和效果。
三、结语
通过上述教学改革措施，同学们在课程学习的主动性、系统级的分析设计能力、实践动手能力以及理论联系实际的工程应用能力等方面均得到了提高，培养的学生在近年来的挑战杯、机器人和电子设计大赛等学科竞赛中均取得了良好成绩。
显然，基于应用型人才培养的课程改革是一项持续而动态的工作，课程教学中需依据卓越工程师教育培养思想，以实现人才培养需求与区域经济社会发展需求的无缝对接为导向，明确树立学生的主体观，合理安排理论和实践教学内容，运用合理的教学方法和手段以及科学的评价体系，以切实提高教学效果和人才培养质量。
参考文献：
[1]陈坚，康勇.电力电子学：电力电子变换和控制技术[M].第三版.北京：高等教育出版社，2011.
篇5
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。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
篇6
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外围设备，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。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
篇7
中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0097-02
电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，是电力、电子和控制三大领域的边缘学科，以电力变换为主要研究内容。对电能进行变换和控制的目的是为了更方便、更为有效的使用电能，使电能更好的为人们服务。
电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据统计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能经过一次以上电力电子变流装置的处理。离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大优势，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。柔流输电亦依靠电力电子装置才得以实现。无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要意义，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。静止同步补偿器（STATCOM）、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补偿和谐波补偿的性能。直流电源和不间断电源（UPS）还用作发电厂和变电所的保护电源、事故电源和备用电源。电力电子装置在电力系统中随处可见。
1、电力电子技术的发展
电力电子技术分为器件的制造技术和电力电子电路的应用电路（变流技术）。电力电子器件经历了半控型（第一代电力电子器件）、全控型（第二代电力电子器件）和复合型（第三代电力电子器件）的发展过程，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），目前其功率较小，但其代表了电力电子技术发展的一个重要方向。
整流电路在电力电子电路中应用最广，20世纪80年代后逆变电路的应用日益广泛，但整流电路仍占重要地位。随着自关断器件的普遍应用，电力电子电路向高频化反向发展，一些新的电路拓扑形式比如谐振型逆变电路、矩阵式逆变电路等不断涌现。PWM控制对推动电力电子技术的发展起了历史性作用，其它控制方式比如应用静止/旋转坐标变换的矢量控制、瞬时无功功率控制、自适应控制、采用状态观测器的控制、模糊控制、神经元控制等，这使得电力电子系统的控制技术发展到一个崭新的阶段。目前应用越来越广的基于微处理器的数字控制技术在很多方面取代了模拟控制，是控制技术的一个新的发展方向。
2、静止无功补偿装置
静止型动态无功补偿装置广泛应用于提高输电系统的稳定性、改善电能质量、对冲击性负荷的无功补偿和闪变抑制等领域。FACTS技术（灵活交流输电系统）从根本上改变了交流电网过去基本上只依靠缓慢、间接以及不精确设备进行机械控制的局面，对提高输电系统的输送功率和潮流控制能力以及改善电力系统稳定性、控制系统振荡等具有明显作用。常见的FACTS装置包括静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）、可控串联补偿器（TCSC）、晶闸管控制移相器（TCPST）、统一潮流控制器（UPFC）、动态电压调节器（DVR）、超导储能系统（SMES）、不间断电源（UPS）、统一电能质量控制器（UPQC）等。
无功功率补偿可提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，稳定受电端和电网的电压，提高供电质量，在电气化铁道中平衡三相的有功及无功负载。静止无功补偿装置包括晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、可控串联补偿装置（TCSC）等。SVC可作为系统补偿和负荷补偿，还广泛应用于高压直流输电换流站的无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负荷造成的电压闪变和电压波动。
TCR的单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，通过改变晶闸管的触发延迟角，可以改变电抗器电流的大小，即可以达到连续调整电抗器的基波无功功率的目的。TCR通常采用支路控制三角形联结三相交流调压电路的形式，如图1.所示
TSC具有无机磨损、响应速度快、平滑投切以及良好的综合补偿效果等优点。图2.为其单相结构简图，其中的小电感用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。
静止同步补偿器专指由自换相的电力半导体桥式变流器进行动态无功补偿的装置，与SVC相比，其调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。其基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。图3.是其电路基本结构。
可控串联补偿装置（TCSC）由电容器与晶闸管控制的电抗器并联组成。调节晶闸管的导通角可以改变通过电抗器的电流，使补偿装置的基频等效电抗在一定范围内联系变化。其不仅可以进行参数补偿，控制系统还引入附加阻尼控制环节，改善系统的阻尼状况，有利于抑制低频振荡，提高系统的静态稳定性和暂态稳定性。
3、高压直流输电技术
高压直流输电是将发电厂发出的交流电通过换流器整流为直流电，通过输电线路把直流电送入受电端，再把直流电逆变为交流电供用户使用。高压直流输电具有传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点，是目前解决高电压大容量、长距离输电和异步联网的重要手段。直流输电架空线路的造价低、损耗小，不存在交流输电的稳定性问题，可以实现额定频率不同的电网的互联，易于实现地下或海底电缆输电，易于进行潮流控制，便于分级分期建设和增容扩建。
直流输电工程按照直流联络线可分为单级联络线、双极联络线、同极联络线和背靠背直流输电系统。双极HVDC系统图如图4所示。
换流器完成交—直或直—交转换，由阀桥和带载抽头切换器的整流变压器构成，阀桥为高压阀构成的6脉波或12脉波的整流器或逆变器。滤波器用于滤除换流器产生的谐波。平波电抗器可以降低直流线路中的谐波电压和电流，限制直流线路短路期间的峰值电流，防止逆变器换相失败和负荷电流不连续。换流阀是换流器的基本单元设备，目前绝大多数直流输电采用晶闸管阀，此外还有GTO阀、IGBT阀等。换流器有6脉动和12脉动两种。
4、在电机中的应用
水力发电机所能发出的电量取决于水力压力和流量，所以机组的发电量将会发生很大变化；风力发电机所能发出的电量与风速的三次方成正比。因此机组是变速运行的，如果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，就能够获得最大有效功率。电力电子装置在水力、风力发电机的变速恒频励磁中起到了非常重要的作用。
采用半导体晶闸管整流和并励性能构成的静止励磁系统，具有技术结构简易、稳定性高及材料价格低廉的优势，在电力系统中已广泛应用。其省略了励磁机的中间惯性环节，可达到快速调节。
5、有源电力滤波器
有源电力滤波器的基本思想是从补偿对象中检测出谐波电流等分量，由补偿装置产生一个与该分量大小相等而极性相反的补偿电流分量，抵消谐波电流分量从而是流入电网的电流只含基波分量，其理论基础是瞬时无功功率理论。具有动态响应速度快、补偿功能多样化、补偿特性不受电网阻抗影响等特点，是抑制谐波的一个重要发展方向。图5.为其构成原理。
有源电力滤波器包含指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个部分，前者用来检测出补偿对象中的谐波和无功电流等分量，后者根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。
其电路形式主要采用PWM变流器，图6为三相电压型PWM变流器。
6、结语
电力电子技术可用来调节输配电网的潮流分配，保证可再生能源发电的大规模、分布式接入和远距离送出，治理电网电能质量等，是建设智能电网的重要基础和手段。随着电网的发展，电力电子技术也将获得长足的发展，从而为电网长远发展打下基础。
参考文献
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[6]周洪亮.有源电力滤波控制技术的研究及应用.浙江大学博士学位论文，2002.
篇8
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。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。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。
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篇9
“电力电子技术”是自动化及其相关专业的一门重要的专业基础课，内容繁杂抽象，实践性很强，其教学内容主要研究各类电力电子装置中的电磁过程，工作原理及控制技术，并通过各种电路的波形分析和相位分析掌握这些装置的原理及应用。伴随着现代信息的快速发展，对于其相关产业的电力电子技术的要求越发严苛，需要其在满足使用需求的同时，能够更轻，更小，更高效。为此，电力电子技术也正经历着翻天覆地的变化，新型的电路拓扑及新技术的研发成为了如今电力电子的技术发展大方向。信息化脚步的加快也使电力电子人才培养刻不容缓。
一、电子电力技术教学改革
目前，世界各地在电力电子教学上花费大量的心思，推陈出新。随着科技的日新月异，教师深入研究电力电子课程内容，总结归纳教学经验，发展新的更适宜学生学习的教学模式。甚至有不少学校开展网络电力电子课程，寓教于乐，让教学变得更有趣味。
例如欧洲的大学，导师教学以学生为主题。让学生按照个人兴趣组成小组，自我设定课题，完成课程的研究。通过学生的自主学习，更易激发学生对于学习的热情。在课程研究过程中，自己发现问题，解决问题。这不仅能提高学生自主学习能力，在与组员的沟通中，也是一种人际交往能力的提升。这一形式的教学模式不仅发展了学生，更为企业培养了真正的实用型人才。
网上的教学脱离了呆板的课堂黑板手写的模式，使学生对所学的知识有更直观的认识。教师与学生之间也能通过互联网达到一种更好的沟通。国内的一些大学就在开展此类课程，收到了不错的反响。教师通过特定的软件，以动画等形式展示电路在不同形态下的开关状态及与之对应的电量、对应的波形图等。此举大大提高了学生学习的主动性，同时也提高了电力电子教学的效率。
二、新电力电子教学举措
近年来，电力电子技术在新能源、航天信息等领域得到广泛应用。据统计，在电力系统，用户使用的电能60%以上至少需经过电力电子变流装置处理。其中直流输电系统送电端的整流阀和受电端的逆变阀均为晶闸管变流装置；晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器是重要的无功功率补偿装置；近年来出现的静止无功发生器、有源电力滤波器等新型电力电子器件具有更为优越的无功补偿和谐波补偿性能；在配电系统中，电力电子装置可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。
本文针对电力电子技术的不断改革出新，探讨新的电力电子教学内容方案，以全控器件作为主要的学习对象，围绕全控器件的应用组织课程内容。
1.控制电路的工作原理
一般来说，正常运行的电力电子设备由其主电路按一定方式控制主电路的开关元件，组成一个闭环变换器的系统。其主要有电流控制和电压控制两种基本方式，在电力电子技术教学时，以这两种方式为主要学习对象。学生主要学习的内容有：典型控制技术、PWM控制芯片、频域测试技术、电力电子闭环分析等。教师在授课时，可以将理论知识结合图例，使教学内容变得生动。如在谈及摄像机系统控制电路时可配以一些图例加深印象。
2.全控器件为主导，压缩半控器件
（1）电力电子器件。电力电子器件主要用作功率开关，利用不同的控制技术与开关配合，达到向电机提供不同电压、不同频率、不同相序供电电压的目的，以控制电机的起停、转向和转速。该类器件通常具有良好的静态特性，快速的动态特性，安全的极限参数与工作区。
电力电子器件按其特性分两类：半控型和全控型器件。电力电子教学的内容以全控型器件为主，按其结构与工作机理分为双极型、单极型和混合型。对于全控型器件的讲述主要可按照以下分类作具体描述。
GTO的特性：GTO 是可关断晶闸管，为PNPN 四层结构的器件，具有普通晶闸管的全部优点，同时又具有关断能力。GTR 静态特性的阻断区仅有极小的反向漏电流存在，而承受全部高电压，类似于开关处于断开状态，在饱和区，即非线性区电流增益和导通电压都很小，类似于开关处于接通状态。
MOSFET的特性：MOSFET的静态特性、动态特性与GTR相似，但它不存在存储电荷问题，而有极间电容放电问题。
IGBT的特性：IGBT是一种复合型器件，它相当于一个由MO SFET驱动的厚基区GTR，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、耐压高和承受大电流等优点。IGBT的伏安特性与GTR不同的是控制参数是门源电压，而不是基极电流。 转贴于
除了以上全控型主要原件特性阐述外，可按由浅入深的教学模式，进一步对其外形特征、适用领域、应用背景等进行描述。以各类原件参数为例，要求学生通过其性能比对，重点掌握每个元件的主要特点、适用场合及其特性。
此外，对于电力电子器件的驱动保护电路也是一个学习重点，驱动电路是低电平的逻辑控制信号与高压大电流的电力电子器件之间的放大缓冲单元，要求学生掌握一些典型驱动电路及芯片。如GTR 的驱动，正向基极驱动电流在驱动初期，不但要有陡峭的前沿并要有一定时间的过驱动电流，以便强迫其开通，开通之后，在正常导通阶段的基极驱动电流则应该使GTR 恰好维持在饱和状态，以便缩短存储时间t。这样能加快开通过程、降低开通损耗。而MO SFET器件的输入端为容性负载，也需要过冲的驱动前沿。典型驱动电路有贝克嵌位电路和推拉式电路以及门极驱动电路。
（2）主电路。对于电力电子主电路的讲述主要集中于其四种基本电力电子变换器的工作原理。在分析时可遵循如下规律：先理想电路后实际电路、先仿真分析后理论分析、先模仿设计后创新设计、先典型后一般。主电路主要研究内容为：理想DC/DC、DC/AC、AC/DC和AC/AC变换器的工作原理和静态特性以及器件的选择原则；介绍小功率的典型电路，如PFC电路、整流电路、反激/正激变换器；主电路的仿真技术（应用Pspice通用电路仿真软件）；功率磁性元件的设计与选择；与主电路相配合的控制电路的框图。
三、加强实验环节，打造应用型人才
在完成了课堂教学内容后，可适当进行实验内容，使教学内容联系实际运用，加深学生对所学知识的理解应用。根据教学内容的调整，建议保留原有晶闸管整流、逆变的验证性实验，使学生对本课程的应用有一个初步认识。在器件研究上则以全控器件研究为主，对直流斩波、交—交变换及PWM控制技术部分的内容，开设设计型实验。实验安排可由易至难，鼓励学生自主完成实验的设计，实验，数据记录研究等步骤。此外，增加信号的调制，SPWM信号的产生与实现、电力电子电路闭环动态特性观察及超调量抑制、DC/AC SPWM单相全桥逆变电路设计等综合性实验。
四、结束语
电力电子行业正迎来良好的发展机遇，而自主创新是电力电子行业发展的持久动力。只有通过自主创新，用创新精神引领企业，掌握核心技术，才能提高企业的竞争力，进一步发展和壮大企业，才能尽快缩短与发达国家的差距，促进电力电子行业的高速发展。
在电力电子发展创新的大环境下，本文针对电力电子技术教学提出新的教学方向。提倡展开全控型器件的教学，重点围绕全控型器件及由其构成的主电路，通过分析一些典型的电力电子装置，使学生掌握实用分析法，强调学生自主学习能力，鼓励学生自主开展课题研究或进行实验探索，激发学生学习热情，培养学生全面发展。
参考文献
[1]杨志民.适用于集成电路的大时间常数积分器的研究[J].西北师范大学学报(自然科学版)，2000，(1).
[2]关晓菡，张卫平，张东彦.国内外高校电力电子技术教育现状综述[J].电气电子教学学报，2006，28(2):438.
篇10
“大功率电力电子技术”课题组依托于武汉大学电气工程学院，主要从事配电系统内适用于节能和电能质量控制的大功率电力电子装置的开发和应用研究。该课题组在查晓明教授的带领下，几年如一日地在大功率电力电子技术领域辛勤耕耘，至今已发展成为一个拥有1名副教授、3名讲师、1名在站博士后、10名博士研究生、10名硕士研究生的优秀科研团队。
课题组成立以来始终坚守“基础理论研究与工程应用实践并重”的原则，行走在电力科技领域的前沿，充分发挥自身的优势，依靠武汉大学丰富的科研与教学资源，与国内多家企业以及电力公司保持良好和持久的合作往来，在大功率电力电子变换装置及其应用系统等领域取得了良好的成绩。在大功率电力电子系统的控制理论上，他们建立了以多电平PWM电力电子变流器功率变换器控制为基础的大功率电力电子系统控制理论和方法。该方法把电力电子技术中的功率变换控制特点与系统应用要求进行有效结合，实现了大功率电力电子系统的并网有功和无功电流控制、电能质量控制以及并联或串联逆变器拓扑结构中的直流侧电压的稳压和均衡控制，并成功地在有源电力滤波器、STATCOM等装置中得到应用。而从该系统的控制技术角度出发，他们又建立了以DSP与FPGA相结合的数字控制硬件平台，开展了各种电力电子系统的数字控制算法的应用研究，并在该硬件平台上充分利用了FPGA近似布线逻辑的并行计算和高可靠性的特点，克服了单独DSP系统程序控制易受干扰中断问题，进而将两者结合并对有关控制算法进行分解，实现了串行和并行计算的结合，形成了一种具有高可靠性的控制算法实现方法。目前，基于该硬件平台的有源滤波器控制算法、STATCOM控制算法、逆变电源控制算法以及高压变频器的V／f控制算法均可在其中实现。
其次，就大功率电力电子器件IGBT的驱动技术而言，课题组以M57962模块为核心，自行研制的高电磁兼容能力的辅助开关电源为IGBT驱动电源，不仅实现了可靠和完善的过流保护、可靠的IGBT通断检测功能，而且还可以辅助抗瞬态电压冲击电路，具有可编程功能，提供了有效的光纤接口。此外在大功率电力电子装置的设计和试验技术上课题组有其专攻之道，基于频域能量变换模型的电力电子设计理论和方法也正在发展之中，逆变器专用高频大电流电抗器设计与制作、电力电子系统实时仿真等方面都有其独到之处。
通过对大功率电力电子电路的拓扑结构研究，课题组完成了基于功率单元级联的多电平拓扑结构及其在STATCOM和高压变频器中的应用，并在混合式有源电力滤波器、多台逆变器并联的有源电力滤波器、四象限运行的PWM变流器、程控交流调压电源逆变器以及具有综合节能特点的工业企业新型配电电源系统中形成了独具特色的理论研究。“基于α－β坐标变换的有源电力滤波器和STATCOM技术”、“低能耗的逆变器试验平台”、“通用电力电子试验平台及试验方法”等已获专利授权，“先进的电能质量试验电源技术”也正在专利申请之中。
在实践的过程中，他们不仅积累了丰富的工程经验，而且形成了一套独特的科研方法和理念。谈及自己的课题组，查晓明教授颇为自豪地介绍“多年来，我们主要在大功率电力电子系统的控制理论和技术研究、大功率电力电子器件IGBT的驱动技术、大功率电力电子电路的拓扑结构研究以及大功率电力电子装置的设计和试验技术上做了一系列的工作，较好地解决了复杂大功率电力电子系统及其应用的可靠性和性能方面存在的问题。这些成果都取得了良好的经济效益和社会声誉。目前，高压变频器已经成功产业化，直接产生了数亿元的经济效益，有源电力滤波器，STATCOM等产品逐步在工业电力系统中得到推广应用。”
学术灵魂：拓新求真，携手并进
作为“大功率电力电子技术”课题组的“灵魂人物”，查晓明教授有着丰富的求学经历：他分别于1989年，1992年，2001年取得武汉大学应用电子技术专业工学学士、电力电子技术专业硕士，电力系统及其自动化专业博士学位：2001年10月至2003年6月，他远赴加拿大的University of Alberta做博士后研究。一直以来，他主要从事电力电子与电力传动学科的教学与科研工作，主要研究方向为电力电子系统的分析与综合理论，大功率电力电子装置及其在电能质量控制，高压电机驱动、柔性输电、新能源及微电网技术中的应用，并取得了骄人的成绩。如今，年仅42岁的他，身上已是围绕着多重的“光环”――武汉大学电气工程学院教授，博士生导师，电力电子技术研究所所长，IEEE会员，武汉电源学会副理事长，从教学到科研、从行政到学术，无不显示出他的忙碌与充实。在科研上，他硕果累累，先后在国内外重要会议和期刊上40多篇，其中三大检索收录20篇：他主持和参加了国防“973”项目专题、武汉市科技攻关项目、国家电力公司青年科技促进费项目，武汉市青年晨光计划项目、国家自然科学基金以及多项企业产品开发项目，在电能质量控制、新能源并网控制以及电气节能等方面取得多项高新技术产品与成果，并获发明专利4项、实用新型专利3项。
