电力电子技术的发展与应用

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1、电力电子技术的发展与应用天沸;4t4"-纳∞年第固期总第c0毋c0期电力电子技术的发展与应用姜桦(天津冶金职业技术学院,300400)[摘要]介绍了电力电子技术发展过程及趋势,论述了电力电子技术的创新和器件应用对我国各个领域形成巨大的生产力,以及该技术的发展前景.关键词电力电子器件智能模块高频化开关电源应用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20世纪50年代末20世纪60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

2、促进了电力电子技术在许多新领域的应用.20世纪80年代末期和20世纪90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.进入20世纪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,即:当我们将50Hz的标准工频大幅地提高之后,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,尤其是对冶金工业其意

3、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,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,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.如日本新电元公司的IPM智能化功率模块的主要特点如下.(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.(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

4、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.tjyJ@tjy.jco瑚m..I综tj.爹≯≯——'._.蕴(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.(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.近年来,随着能源危机的出现,世界各国对电力电子技术更加重视.一方面具有自关断能力的大功率高频新器件及其应用技术取得了惊人的进步;另一方面,同微电子技术紧密结合的新一代电力电子技术初露锋芒.专家预言,已经问世的智能化功率集成电路的

5、兴起和推广,将在21世纪引起第二次电子学革命.2电力电子技术的应用2.1应用的意义2.1.1节省电能电力电子技术不仅以其器件压降小而节能,更主要的是它们可以与微电子产品一起组成各种系统,而使用电设备始终处于最高效率状态.采用变频调速可节电6%.电力电子技术的节能在某种意义上说相当于第五能源.2.1.2节省材料提高电源频率能大量缩小用电设备的体积,重量和用材量.以高频电焊机为例,常规50Hz降压晶闸管弧焊机重300多千克,若采用MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)提高频率至20kHz,重量可降至24千克.通过提高电源频率节约制造电气设备的原材料,对所有由铁芯,线圈组

6、成的电气设备都有效,对变压器尤为突出.因为电动机,发电机类设备频率提高会使转速按比例地提高,会涉及高速旋转之类的技术问题.2.2电力电子的应用电力电子应用技术按其工作特点可分成电力变换和运动控制两部分.前者有高压直流输电,动态无述—m⑨⑨年第圆期总第日母叼期电力电子技术的发展与应用功补偿,大型电解电源,开关电源,UPS电源,中频,高频,射频电源.荧光灯镇流器及各类焊机等.后者有直流电动机相控和斩波调速,交流电动机变频调速(包括交一交,交一直一交,PWM变频),数控机床和机器人用的各种伺服,步进驱动装置等.电力电子与微电子的结合是电子技术的发展趋势,也是现代产业化的标

7、志.2.2.1在高压直流输电(HVDC)方面的应用直流输电在技术方面有许多优点:(1)不存在系统稳定问题,可实现电网的非同期互联:(2)可以限制短路电流;(3)没有电容充电电流;(4)线路有功损耗小;(5)输送相同功率时,线路造价低;(6)调节速度快,运行可靠;(7)适宜于海下输电.随着大功率电子器件(如:可关断的晶闸管,MOS控制的晶闸管,绝缘门极双极性三极管等)开断能力不断提高,新的大功率电力电子器件的出现和投入应用,高压直流输电设备的性能必将进一步得以改善,设备结构得以简化,从而减少换流站的占地面积,降低工程造价.2.2.2在柔性交流输电系统(FACTS)