作者:王班級:機械設計0918專業:機電設備維修與管理學號:0918316學院:安徽水電學院日期:2010 65438+2月。
如今，世界上的能源消耗增長非常迅速。目前電能占所有能源的40%左右，40%的電能是通過電力電子設備的轉換來到用戶手中的。預計十年後，80%的電力能源將由電力電子設備轉換，電力電子技術將在21世紀發揮更大的作用。
電力電子技術是利用電力電子器件來控制和轉換電能的壹門學科。它包括電力電子器件、變換器電路和控制電路三個部分，是電力、電子和控制三個電氣工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發展，電力電子技術與現代控制理論、材料科學、電氣工程、微電子技術等諸多領域密切相關，逐漸發展成為多學科相互滲透的綜合性技術學科。
現代電源技術是應用電力電子半導體器件，集自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術於壹體的多學科邊緣交叉技術。它在各種高質量、高效率、高可靠性的電源中起著關鍵作用，是現代電力電子技術的具體應用。目前，電力電子作為節能、人才節約、自動化、智能化和機電壹體化的基礎，正朝著高頻應用技術、模塊化硬件結構和綠色產品性能的方向發展。在不久的將來，電力電子技術將使電力技術更加成熟、經濟和實用，實現高效率和高質量用電的結合。
壹、電力電子技術的發展歷史
1.整流器時代
大功率工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供，但約20%的電力以DC的形式消耗，最典型的有電解(有色金屬和化工原料需要DC電解)、牽引(電力機車、電力內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)。)和DC驅動(軋鋼、造紙等。).大功率矽整流器可以高效地將工頻交流電轉換成直流電，因此大功率矽整流器和晶閘管的開發和應用在20世紀60、70年代得到了極大的發展。當時國內各地掀起了壹股辦大型矽整流廠的熱潮。目前國內制造矽整流器的大小半導體廠商都是那個時代的產物。
2.逆變器時代
20世紀70年代，世界範圍內出現能源危機，交流電機變頻調速因其顯著的節能效果而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電轉換成0~100Hz的交流電。20世紀70-80年代，隨著變頻調速裝置的普及，晶閘管、大功率晶體管(GTR)、大功率逆變器用門極關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓DC輸出、靜態無功功率動態補償等。此時，電力電子技術已經能夠實現整流和逆變，但工作頻率較低，僅限於中低頻範圍。
3.變頻器時代
20世紀80年代，大規模和超大規模集成電路技術的快速發展為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術與高壓大電流技術相結合，出現了壹批全新的全控型功率器件，首先是功率M0SFET的問世，帶動了中小功率電源向高頻發展，然後是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的出現，為中大功率電源向高頻發展帶來了機遇。MOSFET和IGBT的出現是傳統電力電子向現代電力電子轉變的標誌。據統計，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已經達到了旗鼓相當的水平，已經斷定IGBT將在功率電子領域取代GTR。新器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了高頻，使其性能更加完善可靠，而且使現代電子技術向高頻發展，為電器設備高效節材節能，實現小型輕量化、機電壹體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1高效綠色電腦電源
計算機技術的飛速發展引領人類進入了信息社會，也促進了電源技術的飛速發展。80年代，電腦全面采用開關電源，率先完成了電腦電源的替代。於是開關電源技術進入了電子電氣設備領域。
隨著計算機技術的發展，綠色計算機和綠色電源被提出。綠色電腦壹般是指對環境無害的個人電腦及相關產品，綠色電源是指與綠色電腦相關的高效節能電源。根據美國環境保護署l992年6月17日的“能源之星”計劃，如果臺式個人電腦或相關外圍設備的功耗小於30瓦，則滿足要求。
要滿足綠色計算機的要求，提高電源效率是降低功耗的根本途徑。就目前效率75%的200瓦開關電源而言，電源本身就消耗50瓦的能量。
2.2通信用高頻開關電源
通信行業的快速發展極大地促進了通信電源的發展。高頻小型化開關電源及其技術已成為現代通信電源系統的主流。在通信領域，整流器通常被稱為壹次電源，而DC/DC轉換器被稱為二次電源。壹次電源用於將單相或三相交流電網轉換為標稱值為48V的DC電源。目前，在程控交換機的初級電源中，傳統的相控穩壓電源已被高頻開關電源所取代。高頻開關電源(又稱開關整流SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率壹般控制在50-100kHz範圍內，以達到高效率和小型化。近年來，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
由於通信設備中使用的集成電路種類繁多，其電源電壓也各不相同。在通信電源系統中，采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，將中間母線電壓(壹般為48V DC)轉換成各種DC電壓，可以大大降低損耗，方便維護，安裝和增加都非常方便。壹般可以直接安裝在標準控制板，對二次電源的要求是高功率密度。由於通信容量的不斷增加，通信電源的容量也會隨之增加。
2.3 DC-DC轉換器
DC/DC轉換器將固定的DC電壓轉換成可變的DC電壓。該技術廣泛應用於無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制。同時使上述控制達到加速、穩定、快速響應的性能，同時收到省電的效果。用DC斬波器代替變阻器可節能20 ~ 30%。DC斬波器不僅能調節電壓(開關電源)，還能有效抑制電網側的諧波電流噪聲。
通信電源的二次DC/DC變換器已經商品化。該模塊采用高頻PWM技術，開關頻率約為500kHz，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展，要求功率模塊小型化，因此需要不斷提高開關頻率，采用新的電路拓撲。目前，壹些公司已經開發生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次功率模塊，功率密度有了很大的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是壹種高可靠性、高性能的電源，適用於計算機、通信系統和需要不間斷供電的場合。交流市電輸入通過整流器轉換成DC，壹部分能量給蓄電池充電，另壹部分通過逆變器轉換成交流電，通過轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能給負載提供能量，通過功率轉換開關實現了另壹個備用電源。
現代UPS普遍采用脈寬調制技術和M0SFET、IGBT等現代電力電子器件，降低了電源噪聲，提高了效率和可靠性。微處理器軟硬件技術的引入可以實現UPS的智能管理、遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已經達到600kVA。超小型UPS也發展迅速，產品有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等規格。
2.5逆變器電源
逆變電源主要用於交流電機的變頻調速，在電氣傳動系統中發揮著越來越重要的作用，並取得了巨大的節能效果。逆變電源主電路采用交流-DC-交流方案。工頻電源通過整流器轉換成固定的DC電壓，再由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器將DC電壓轉換成電壓和頻率可變的交流輸出。電源的輸出波形類似正弦波，用來驅動交流異步電機實現無級調速。
世界上400kVA以下逆變電源系列產品已經問世。20世紀80年代初，日本東芝公司首先將交流變頻調速技術應用於空調。到1997，其份額已經達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適節能的優點。國內對變頻空調的研究始於上世紀90年代初。1996年引進生產線生產變頻空調，逐漸形成了變頻空調研發生產的熱點。預計2000年左右會達到高潮。變頻空調除了變頻供電，還需要壹臺適合變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略和選擇功能元件是空調變頻電源的進壹步發展方向。
2.6高頻逆變整流焊機電源
高頻逆變整流焊機電源是壹種高性能、高效率、節材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發展方向。由於IGBT大容量模塊的商品化，該電源具有更廣闊的應用前景。
交流-DC-交流-DC(交流-DC-交流-DC)變換法大多用於逆變焊機電源。50Hz交流電經全橋整流轉換成DC，由IGBT組成的PWM高頻轉換部分將DC轉換成20kHz的高頻矩形波，經高頻變壓器耦合、整流、濾波後成為電源電弧的穩定DC。
由於焊機電源工作條件惡劣，短路、電弧和開路頻繁發生，因此高頻逆變整流焊機電源的工作可靠性成為最關鍵的問題，也是用戶最關心的問題。采用微處理器作為脈寬調制(PWM)的相關控制器。通過對多種參數和信息的提取和分析，達到預測系統各種工作狀態的目的，進而提前對系統進行調整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源的可靠性問題。
國外逆變焊機已實現額定焊接電流300A，負載持續時間60%，滿載電壓60~75V，電流調節範圍5~300A，重量29kg。
2.7大功率開關高壓DC電源
大功率開關高壓DC電源廣泛應用於靜電除塵、水質改善、醫用x光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流在0.5A以上，功率可達100kW。
從20世紀70年代開始，壹些日本公司開始采用逆變技術，將市電整流後逆變為3kHz左右的中頻，然後升壓。20世紀80年代，高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管作為主要開關元件，使電源的開關頻率提高到20kHz以上。幹式變壓器技術成功應用於高頻高壓電源，取消了高壓變壓器的油箱，進壹步減小了變壓器系統的體積。我國研制了靜電除塵器用高壓DC電源。市電整流後轉換為DC。DC電壓由全橋零電流開關串聯諧振逆變電路轉換成高頻電壓，再由高頻變壓器升壓，最後整流成DC高壓。在阻性負載條件下，輸出DC電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz
2.8電力有源濾波器
傳統的交流DC變換器在投入運行時，會向電網註入大量的諧波電流，造成諧波損耗和幹擾，同時設備網側的功率因數也會惡化，即所謂的“電源汙染”。比如加上不可控整流和容性濾波，網側三次諧波含量可達(70-80)%，網側功率因數僅為0.5-0.6。
有源電力濾波器是壹種能動態抑制諧波的新型電力電子裝置，它能克服傳統LC濾波器的缺點，是壹種很有前途的諧波抑制方法。
2.現代電力電子技術在電力系統中的應用
1.發電環節
電力系統的發電環節涉及發電機組的各種設備，電力電子設備應用的主要目的是改善這些設備的運行特性。
(l)大型發電機的靜態勵磁控制
靜態勵磁采用晶閘管整流自並勵勵磁方式，具有結構簡單、可靠性高、成本低等優點，廣泛應用於世界各大電力系統。由於省去了激振器這壹中間慣性環節，具有其獨特的快速調節性，為先進控制規律充分發揮作用，產生良好的控制效果提供了有利條件。
(2)水輪發電機和風力發電機變速恒頻勵磁。
水力發電的有效功率取決於幹水頭壓力和流量。當水頭變化較大時(特別是抽水蓄能機組)，機組的最優轉速也會隨之變化。風力發電的有效功率與風速的三次方成正比，風車捕捉最大風能的速度隨風速而變化。為了獲得最大有效功率，機組可以變速運行。通過調節轉子勵磁電流的頻率，定子頻率即輸出頻率在與轉子轉速疊加後保持恒定。這種應用的技術核心是變頻電源。
(3)電廠風機和水泵的變頻調速
電廠廠用電率平均為8%，風機和水泵用電量約占火電設備總用電量的65%，運行效率較低。使用低壓或高壓變頻器，對風機和水泵實施變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術已經非常成熟。國內外廠家很多，沒有壹個完整的系列產品。而具備高壓大容量變頻器設計和生產能力的企業並不多，國內很多高校和企業都在加緊聯合開發。
2.傳輸鏈路
電力電子器件在高壓輸電系統中的應用被稱為“矽片引起的第二次革命”，極大地改善了電網的穩定運行特性。
(1) HVDC和HVDC L i g ht技術HVDC具有輸送容量大、穩定性好、控制調節靈活等優點，對於遠距離輸電、海底電纜輸電和不同頻率系統聯網具有獨特的優勢。1970年世界上第壹臺晶閘管變流器的出現標誌著電力電子技術正式應用於DC輸電。此後，世界上所有新的DC輸電工程都采用了晶閘管換流閥。
(2) FA CTs技術FA CTs技術的概念在20世紀80年代末問世。它是以電力電子技術和現代控制技術為基礎，靈活快速地調節交流輸電系統阻抗、電壓和相位的輸電技術，可以實現交流輸電潮流的靈活控制，大大提高電力系統的穩定水平。自20世紀90年代以來，FA CTS技術在國外研究開發的基礎上，已應用於實際電力系統工程。其輸出無功功率大，設備結構簡單，控制方便，成本低，所以應用較早。
3.配電鏈路
如何加強供電可靠性，提高電能質量，是配電系統亟待解決的問題。電能質量控制不僅要滿足電壓、頻率、諧波和不對稱的要求，還要抑制各種暫態波動和幹擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用，即用戶電力(Cu s t o m Po we r)技術或DF ACTS技術，是在F ACTS成熟技術基礎上發展起來的壹種新型電能質量控制技術。可以理解為DFACTS設備是FACTS設備的縮小版，原理、結構相同，功能相似。由於潛在需求巨大，市場幹預相對容易，開發投資和生產成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預計D F A C TS設備產品將進入快速發展期。
三。電力電子技術的發展前景
1.新型電力電子設備
在由新型半導體材料制成的功率器件中，最有前途的是碳化矽(SiC)。其性能指標比GaAs器件高壹個數量級。與其他半導體材料相比，碳化矽具有以下優異的物理特性:高帶隙、高飽和電子漂移速度、高擊穿強度、低介電常數和高熱導率。這些優異的物理性能決定了碳化矽是高溫、高頻、大功率應用中的理想半導體材料。在相同的耐壓和電流水平下，SiC器件的漂移電阻僅為矽器件的1/200，甚至高耐壓SiC場效應晶體管的導通壓降也遠低於單極和雙極矽器件。而且SiC器件的開關時間可以達到10ns量級，具有優異的FBSOA。SiC可用於制造射頻和微波功率器件、各種高頻整流器、MESFETs、MOSFETs和JFETs。碳化矽高頻功率器件已在摩托羅拉研制成功，並應用於微波和射頻器件。GE公司正在開發SiC功率器件和高溫器件(包括噴氣發動機的傳感器)。西屋公司制造了壹種工作在26GHz的甚高頻MESFET。ABB正在為工業和電力系統開發大功率、高壓碳化矽整流器和其他碳化矽低頻功率器件。理論分析表明，SiC功率器件非常接近理想功率器件。可以預見，各種SiC器件的研發必將成為功率器件研究領域的主要趨勢之壹。然而，在SiC材料和功率器件的機理、理論和制造技術方面還有許多問題需要解決。據估計，他們至少需要10年才能真正給電力電子技術領域帶來又壹次革命。
2.新能源
電力電子技術在新能源發電技術、電能質量控制技術和節能技術方面有著廣闊的發展前景。其中風力發電和太陽能發電最受關註，電力電子技術是風力發電和太陽能發電的核心技術之壹，為電力電子工程師提供了千載難逢的機會。廣大電力電子工程師可以抓住這壹機遇，推動電力電子技術的發展。同時，由於電力電子器件和電弧爐的廣泛應用，電能質量日益下降。另壹方面，用戶對電能質量的要求更高。以有源電力濾波器為代表的電能質量控制裝置越來越受到人們的重視，開展了越來越多的研究和開發。此外，由於電力系統中大量使用電動機(占發電量的60%以上)和照明電源(約占發電量的10 ~ 15%)，電力電子器件可以很好地補償無功功率和電力諧波，所以電力電子技術被稱為節能技術。目前，由於化石能源的枯竭，電力電子技術在節能方面受到了極大的重視，並得到了迅速的發展。
3.電動汽車
中國人口多，石油少。現在中國每年進口大量石油。21世紀上半葉，地球上的油氣資源日益減少，甚至遲早會枯竭。特別是在中國的國情下，城市交通重點發展電動汽車是必然趨勢。大城市之間的磁懸浮列車，城市中的電動高架列車和地鐵列車，個人電動自行車和電動汽車將構成未來交通網絡的主角。其中，電力電子產品大有用武之地。磁懸浮列車的磁懸浮電源和直線電機的變頻調速:城市高架列車和地鐵列車中異步電動機的變頻調速:電動自行車和電動汽車中永磁無刷電機的外轉子調速在未來十年將會有很大的發展。在這裏，電動自行車和電動汽車的普及必須解決無刷電機及其控制器、環保電池、快速充電器和充電站的網絡服務等問題。現在看來，國內推廣電動自行車代替摩托車作為交通工具的技術已經趨於成熟。這裏必須使用鎳氫電池和鋰離子電池，以消除傳統鉛酸電池對環境的汙染。這種依然價格不菲的電池組，可以出租給電動自行車用戶，實行由間距合理的電池充電站統壹充電，用戶自行充電的方法。與鋰離子電池(如36V、10AH)相比，鉛酸電池重12 kg，而後者僅重2.4kg..
電動汽車的發展是未來電力電子的壹個潛在的大市場。首先是高能量密度的清潔電池的突破。最有前途的是燃料電池，它的啟動和穩定運行需要電力電子產品。最有趣和最有前途的牽引系統方案是由安裝在四個車輪上的外轉子盤式永磁無刷DC電機驅動。這種電機結構的優化設計，高性能的控制和調速驅動，四臺電機的協調運行，將為電動汽車的舒適操作和零半徑轉彎提供技術保障。未來十年是電動汽車實用化發展的關鍵時期，電力電子行業可以也應該做出相應的研發工作，積極迎接這個巨大市場的到來。
結論:
電力電子技術已經迅速發展成為壹個獨立的技術和學科領域。其應用領域幾乎涉及國民經濟的所有工業部門。毫無疑問，它將成為新世紀的關鍵支撐技術之壹。電力電子技術具有微電子技術發展迅速、滲透力強、生命力旺盛等諸多特點，並能與其他學科融合發展。
參加考試，貢獻力量
(1)林偉勛。淺談半導體高頻電力電子技術。浙江大學電力電子技術選編，1992(384-390)。
②傅和張輝。電力電子技術在電力系統中的應用。信息技術，2000年(162)
(3)王兆安。中國電力電子技術的新進展。逆變器世界，2008(32)
(4)陳紅。電氣學科導論。北京:機械工業出版社，2005。