电力电子技术论文范文

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电力电子技术的应用能够让我国的民用电力设备效果得到大幅度的提升，让我国人民的用电质量感受到明显的变化。如今是一个科技化的时代，所以针对一些用电量较大的工业企业来说，电力电子技术的应用将会有助于其改造传统工业的生产工艺，让企业能够将工作效率得到进一步的提升，并且稳步的迈向机电一体化的队伍当中。

1.2智能化发展

我国的电力电子技术已经进入到了一个相对成熟的阶段，而国家的相关科研单位也开始着手在其中加入更为高端的科技手段。这种做法不仅有利于电力系统的向前发展，同时还会增加电力电子技术的使用范围，让其更加的智能化与人性化。

1.3电力电子技术的高频化

伴随着电力电子技术的广泛使用，为了让其能够更好的为我国的电力系统服务，已经开始逐渐的对传统技术手段进行了突破，将运行系统不断的高频化。这样不但节约了企业的设备占地面积，同时还从很大程度上提升了电力系统的运行效率。

2电力电子技术在电网中的应用现状

2.1在发电系统中的应用

发电系统是整个国家电网中的重中之重，那么电力电子技术在这个系统中的应用也将起到至关重要的作用。其主要的功能为改善发电设备的运用效率以及调节运行系统中的功能效率等，其中包括发电机励磁的控制、恒频、以及水泵的调速等等。电力电子技术主要应用的是晶闸管在励磁中的价格、性能、结构等优势，从而保证其能够更完美的应用与电力系统当中。除此之外，在风力以及水力发电机的操控当中，电力电子技术主要依靠的是变频电源来掌控转子励磁电流的转换频率，以保证电力能源能够发挥出最大的有效使用功效。在我国的各大企业中，能够制造高压力变频器的实属凤毛麟角，所以电力电子技术将有效的填补这一部分的空白。

2.2在输电系统中的应用

电力电子技术在我国电网的输电系统中主要应用的是柔流输电技术，这种技术能够将电力系统中的电压、功率、相位角进行有效的控制与调节。在电力能源进行输送的过程当中，难免会出现不同程度上的消耗，而这种技术的应用将从很大程度上将其输电能力的稳定性进行改善。针对我国电网目前的情况来看，如果采取远距离高压直流输电的话将会相比交流输电降低很大一部分的损耗，因为直流输电将避免电抗压降的问题，并且还会降低电缆网线等设备的投入资金，这样不仅能够解决稳定性差的问题，同时还会缓解企业的经济压力。

2.3在配电系统中的应用

在配电系统中最为重要的就是提高电力能源的质量和供电系统的稳定性。而这两项是否能够过关将取决与电压、不对称度以及频率等相关因素的质量能不能达到标准。而电力电子技术在国外的一些大企业当中也取得了比较成功的成绩，并且也为企业带去了相当可观的经济收益。电力电子技术可简称为DFACTS技术，在配电系统的应用中可以被理解为是一种控制单利能源质量的新型技术。与此同时，由于DFACTS设备同FACTS设备的功能与使用方法大致相同，所以DFACTS的设备也可以被理解为是FACTS的浓缩版本。

2.4在节能环节中的应用

节约电能大致包括两个方面：电动机的节电潜力和电动机的调速节电技术，这两中节能方法有效的相结合才能够形成一个比较完善的节能体系。就我国目前的形式来看，交流调速技术已经被广泛的应用到了矿山以及炼金等重金属行业中，而在国外较发达的国家中，在水泵以及风机等设备的运行中也都相继的应用了交流调速技术。

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2电力电子技术的未来发展趋势

从近几十年的发展历程中我们可以看出，半导体的发明与应用有效地推动了电子技术的快速发展，其中晶闸管等电力半导体在这一过程中发挥了重要的作用。在进入20世纪70年代后，半控型晶闸管形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，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半导体制造工艺水平的不断提高，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。近期研制的以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，开始向大容量高频率、响应快、低损耗的方向发展，这又是一个飞跃。步入20世纪90年代后，电力电子技术得到突飞猛进的发展，与该技术有关的产品也得到进一步升级，大都朝着智能化、模块化方向发展，逐步形成了电力电子技术的三步走模式及理论的研发，产品的研制、产品的应用，成为国际科研领域的新星，成为经济社会发展的热门行业。但是，就目前我国电力电子技术发展现状来看，还不容乐观，其中电力半导体器件的研发与应用同西方发达国家相比，还存在较大的差距，还比较落后，所以，如果在21世纪国际电力电子技术迅猛发展的背景下，我国半导体器件的落后状态得不到改善，将直接影响我国国民经济的快速发展，因此，对于我国电力电子技术的发展趋势来说，仍然任重而道远。

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2电力电子技术的应用

2.1电气节能介绍

有源滤波、电能质量及变频调速等内容都属于电气节能的范畴，其中电机节能最为重要，主要是采用变频调整方式，改善风机、泵类电机系统，而电气节能方面中的变频调速系统的电力来源主要是变频器，在社会经济发展和科学技术不断进步的过程中，变频调速方面的相关技术获得了很大的完善，具有非常广阔的应用，相关设备的更新频率大大降低。如果我们使用变频技术，使电机根据我们需要的速度进行运行，对原有的系统进么智能改造和控制，仅电机这一项消费我国一天就可以节约大约30%的电能，工业领域的节能效果更大。由此可见，这是我们不容忽视的一个重要作用，关系到了国民经济高效的发展。

2.2风力、太阳能等新能源发电

目前世界范围内应用频率较高的可在利用新型能源主要包括：生物质能、太阳能、风能及地热能等，但这些新型能源的利用都必须要借助大容量电力电子系统来实现。电力电子技术在利用新能源进行电力生产的过程中，具有较大的供应不确定性，必须要根据天气的变化进行调整，必须要满足电网电力、并网发电方面较高的要求，可以保障供应电能的质量，不存在较大的功率变化情况。由于我国的科学技术发展水平较低，依靠引进国外网格转换器的方式来进行电力生产，需要进行进一步的研究和探索，从根本上提高设备的稳定程度，优化设备性能，并应用统一、规范、系统的标准对应用设备进行管理和控制。

2.3电力牵引

随着交通流量的增大，交通事业的进步成为各个国家关注的重点，应用电力牵引方式，对电动汽车、地铁、高速铁路及轻轨等交通设施进行改造成为主流化趋势。例如：高铁的机头。目前，高铁已覆盖了我国的等多数地区，已经将利用电力牵引的汽车在一些地区进行应用测试。这些混合性电力动力汽车所需的变换器的来源是国外技术发达的国家，我国要加大对电力牵引方面的研发力度，如：开发集成技术和冷却技术来提高电力电子变换器的效率和功率密度；

2.4智能电网

智能电网是一个新概念，一般认为电力电子技术为智能电网的实施提供了坚实的技术保障，能够提供更大的动力，还涉及到电网控制技术、传感技术等多种先进的技术。其中，传感技术、储能技术、输电技术及控制技术等都涵盖于电力电子技术的范围内，能够使电网发电形式转变为新型能源开发，大大提高电网的工作效率，变得更加安全可靠。我国电力体制改革和建设工作实施过程中，对特高压输电内容的研究充分运用了智能电网技术，并在一些城市建造成功，能够对高达800kv的电压进行输送。根据我国对电网建设方面的设计规划工作，预期在2020年投资将近一亿元人民币进行特高压输电建设；并2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。

3主要关键技术

（1）硬件和电力半导体器件的发展分析。系统的性能和可靠性往往由设备的好坏决定，而大容量电力电子应用系统对高功率半导体器件要求更高。目前，宽带隙的新型半导体的开发，如碳化硅材料，被人们越来发挥重视，还有对氮化镓（GaN）设备的发展也引起了人们的关注。（2）拓扑的研究。在对多电平变换器拓扑关系及结构方面的探索处于低级阶段，预测在未来的发展过程中会向着混合式结构形式的方向发展。（3）应用PWM控制方法。大容量多电平转换电路是脉冲宽度调制的主要应用领域，但由于拓扑结果形式及特征各不相同，必须要满足相应的功能要求。

4存在的关键问题分析

（1）半导体开关器件的特性没有完全足够掌握。（2）主电路的设计未能与实际紧密结合，协调配合有所欠缺。（3）对不清楚的装置、设备的电磁瞬态过程进行描述。（4）缺乏对设备的失效作用分析。目前仍需要处理的任务为：（1）提高设备模型的适应能力。（2）定义对可靠运行区域。（3）理解不同时间尺度过程。（4）能源控制问题。

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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。

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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”，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（HVDCLight）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（CustomPower）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

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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。

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1.2满足社会对电能的需求，改善电能输出的质量社会经济的发展进步对电能的质量要求以及电能的需求量也越来越高。如果电力系统不能够稳定的输出社会企业所需要的电能资源，保证输出电能的质量，这会对电网带来很大的影响。而通过采用先进的电力电子技术，能够有效改善电网的电能质量，优化电能资源的配置，提高电网输电的效率，促进社会经济的发展。

1.3优化资源配置，保护社会环境能源资源在我国社会发展和生存中，起着十分重要的作用。虽然能源总量非常多，但是我国人口众多，对能源的消耗也特别大，随着常规的化石能源不断开采和消耗，以及其带来的环境污染、能源安全等问题，以可再生的清洁能源已经受到广泛社会的广泛的重视。电能也是属于可再生的清洁能源，积极发展电力事业，通过应用先进的电力电子技术，建设安全可靠的智能电网，可以保证电能资源的大规模远距离输送，有效解决我国能源短缺的问题，优化能源资源的配置，保护社会环境。

2电力电子技术在智能电网中的应用

2.1柔流输电技术的应用柔流输电技术综合里电力电子技术、现代微电子技术、通信技术以及控制技术，是实现清洁能源和新能源大规模并网的重要技术，可以快速灵活地控制交流输电，提升电网输送的能力。在我国智能电网中，特高压输电作为智能电网的重要基础，所以智能电网的建设中，需要综合考虑清洁能源和新能源的接入和隔离情况，而柔流输电技术在这一方面能够提供有效的技术帮助，因此也越来越受电力企业的关注和重视。通过将现代控制技术和柔流输电技术进行融合，智能电网可以联系和调节各种电力参数，降低线损，为电力系统输送电能的安全与稳定提供了可靠的保障。

2.2智能开关技术的应用智能开关技术主要是通过对指定位置的电流与电压执行闭合或者切断。在智能电网中，应用智能开关技术，能够有效保护过流和漏电问题，维护电力系统的安全稳定运行。同时，应用智能开关，还可以保证电器设备以及仪表仪器的不受严重损耗。随着电力电子技术的不断发展，开关设备也在朝着高性能方向发展。智能开关技术、微电子技术以及传感技术等，可以有效保证电力系统的安全性，对智能电网的建设和发展起着越来越重要的作用。

2.3高压直流输电技术的应用在直流输电系统中，只有输电这一个环节是直流电，而在发电系统和用电系统中，采用的仍然是交流电。交流电在输电线路的终端变为高压直流电，然后送上直流输电线路，直流点又通过输电线路送到逆变器，将高压直流电转变为交流电。最后经过环流变压器把电能输送到交流系统中。高压直流输电技术的应用，具有十分明显的优势。首先，高压直流输电技术可以进行远距离的电能输送。其次，当系统发生故障，高压输电技术对电网所带来的影响十分小。因此，高压直流输电技术对于长距离大功率的输电特别适合。在智能电网中，通过应用高压直流输电技术，可以有效满足智能电网的长距离和大功率的输电要求，同时还有利于解决清洁能源的稳定性。

2.4高压变频技术的应用在智能电网的建设中，通过利用高压变频技术，可以有效地节约电能资源。对于用电量特别大的企业，高压变频技术不仅可以有效的节约企业用电消耗，减少污染污的排放，还能够通过节能减排，降低企业的成产成本，提高企业的经济效益。高压变频技术在智能电网中的应用，并结合其他先进的电子电力技术，能够有效促进智能电网的发展。

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2“电力电子技术”课程设计改革

“电力电子技术”课程应用性强，因此要求学生有较强的动手实践能力。课程开设了6个学时的实验，对学生来说实践时间较少。因此率先在车辆工程专业新能源汽车专业方向开设了“汽车电力电子技术课程设计”课题，时间为一周，精选了“太阳能电动车SPWM控制逆变电路设计”、“车载逆变电源—推挽式直流变换电路设计”、“车载逆变电源—工频逆变电路设计”等设计课题，要求学生通过课程设计能充分了解电力电子技术在汽车上的应用以及应用设计，要求学生“脚踏实地”进行电路方案论证比较，完成电力电子电路的参数计算、器件的选型、绘制电路原理图等过程，掌握电力电子电路的设计，并能够掌握电力电子器件常用的驱动电路设计，合理设计保护电路。同时对于电路原理图要求采用EDA（电子设计自动化，ElectronicDesignAu-tomation）软件进行绘图，将学生所学的电力电子技术、自动控制技术、EDA技术等几门课程在汽车电力电子技术课程设计中进行融合，提高学生的实际设计能力。对multisim实践能力较强、学有余力的同学进一步指导其采用仿真手段（Matlab或者Multisim）进行仿真实习，论证设计结果。通过紧张而充实的课程设计，大部分的同学对电力电子技术在汽车上的应用有了进一步的认识，并对所学的相关课程进行贯通融合，充分了解所学专业课程之间的相互联系，增强了对自身所学专业知识架构的认识，能够熟练利用相关课程、相关技术手段进行电路设计，实现在专业知识架构中的“自由天地”。

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二、加强课程建设，精心、合理选择教学内容

1.了解相关课程之间的分工。知识是相互联系、相互渗透的。在开课前，熟悉本课程与相关学科的联系，了解先修课“电路”和“电子技术基础”两门课程的教学情况和后续课“变频调速技术”的安排，处理好他们之间的关系，保持整个专业课程体系前后衔接，避免内容的重复和疏漏。例如“自关断器件”一章节，电子技术基础中已讲过小功率晶体管、场效应管的结构、原理、特性及应用。在本门课程中，对功率晶体管、功率场效应管应重点讲述其与小功率管的不同之处。对于晶闸管直流电动系统部分，重点应在整流、有源逆变两种状态下，电流连续、断续时的电动机特性，而直流可逆调速系统的内容则需放到后续课程“变频调速技术”中。

2.以器件、电路、应用为主线，加强基础知识的学习。以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技术的基础核心。电力电子器件的基础之一是能以小信号输入控制很大的输出，这就使电力电子设备成为强弱电之间的接口的基础。讲解器件原理及特性，目的是为了应用器件组成电路，故应掌握器件外部特性、极限参数和使用注意事项。三方面的内容应以电路为主，学习各类电力半导体器件所构造各种功率变换电路时，学生应掌握功率变换主电路的构成、工作原理和工作波形，不同负载对电路工作特性的影响以及主电路的元件参数计算和选择。

3.介绍学科前沿发展的动向，反映本学科和相邻学科的新成果、新进展。无电网污染、无电磁干扰、节能省电等绿色指标是全球范围内的热门话题。由于很多电力电子装置结构相当复杂，为简化设计而出现的集功率开关、变换控制电路、传感控制电路为一体的智能功率集成模块受到欢迎，厚膜集成模块、积木式的功能模块，灵活机动既能单独使用，也能相互组合成较大的系统，成为电力电子技术的发展方向。教学内容应主动吸收最新信息，同时引导学生了解电力电子技术的发展动态，扩大知识面，这可通过指导学生阅读与电力电子技术有关的学术期刊，登陆相关的专业网站，使学生了解自己目前所学知识在本领域所处的位置，从而站在较高的起点上，去适应学科未来发展的需要。

三、改革教学方法，形成以能力培养为主线的课程特色

《电力电子技术》是一门理论包含实践的课程，根据其自身的特点，课程的内容设计应注重“讲”“练”。多年来，电力电子技术课程的教学方法是以教师为中心的，逐章逐节不厌烦地讲授，讲得过多、过细，以求“当堂弄懂”“课上解决”。这样只是传授，学生总是处于被动接受的地位，极大地妨碍了学生学习的主动性和积极性的发挥，不利于学生的素质和能力的培养。而实现教学现代化是加大授课信息量，节约课时，增强教学效果的重要措施。为改变这种情况，首先，教师在课前注意调查学生的学习基础，合理安排教学内容。而在教学中力求突出内容的重点和难点，但又要保证内容的系统性、完整性，并精选一部分内容留给学生去自学，写报告，然后开展课堂讨论，同时，结合学生看到的一些与电力电子技术有关的现象，让学生设计主电路，画出波形图。四、加强实践环节，注重综合能力培养

电力电子技术有很强的实践性，而实验是培养理论联系实际、动手能力、严谨的科学态度和科学研究方法的重要手段，因此应精选最基本的也有较高实用价值的实验项目。例如选择在计算机、通讯设备及家用电器等广泛应用的开关电源作为实验项目，介绍典型的开关电源的线路，比较开关电源和线性电源的性能，使学生对开关电源有了深刻的印象，并增强了学习电力电子技术课程的兴趣。由于电力电子电路具有强、弱电结合的特点，要特别强调实验操作的认真、规范，保证实验顺利进行，避免事故发生。实验前，要求学生根据实验名称及预习要求进行预习，从而在观察现象和发现问题等方面充分发挥主观能动性。实验过程中，注意考察每个学生的实际动手能力，针对性提出线路连接和实验现象方面的问题。让学生边做边答，防止学生机械接线，使实验走过场。注意介绍新仪表、新仪器的使用，例如数字式示波器的使用，这样学生会直接感受到科技发展带来的巨大方便。

计算机仿真是使用计算机对已经存在或正在设计的对象的模型进行研究，具有精度高、重复性好等特点，是进行科学研究的重要手段之一。现在出现了大量的仿真软件，将电子仿真设计软件PSPICE和科学计算软件MATLAB等引入到电力电子技术教学中，让学生按研究的侧重面或实际需要对实际对象进行简化提炼，而不是原型的复现，这样有利于抓住其本质或主要矛盾，对所学理论有深刻的理解，也为学生今后从事工程设计和科学研究打下良好的基础。

在课程结束前安排一周的课程设计，可将电力电子技术及其他先修课程(电工基础、电子技术、电机学等)中所学到的理论和实践知识全面地结合起来，同时培养和提高学生自我获取知识的能力。课程设计的内容应具有一定的系统性、新颖性。教师要发挥指导作用，指导学生阅读参考文献，审阅设计方案，检查设计进度，及时指导和帮助其解决存在的问题，逐步培养学生的独立工作能力、设计技能和建立正确的设计思想，重视学生的具有创新精神的见解。

五、结束语

电力电子技术课程的教学改革是一项系统工程，其学术性和技术性较强，涉及面很广。而教学改革是一项长期而艰巨的任务，我们只有不断积极探索教学内容、教学方法，充实自己，以适应当今社会的需要。

【摘要】本文介绍了“电力电子技术”课程的教学方法改革。研究、探索和实践与教学体系相适应的实践教学模式、教学方法和教学手段。提出了全方位教学的改革与实践的新思路，为社会培养具有创新精神的高素质技术应用型人才。

【关键词】电力电子技术教学方法教学改革

参考文献：

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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

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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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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

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