电力电子技术发展和应用

1、电力电子技术发展和应用一、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电子产品流器件，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。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

2、，其中最典型的是电解（有色金屈和空原料需要直流电 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，大功率硅整流管和品闸 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陸整流器的半导体厂家就是那时的产 物。逆变器时代七十年代击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肓流电逆变为o'loohz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

3、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（gto）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。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mosfet 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，乂为大中型功率电源向高频发展带来机遇。mosfet和igbt

4、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mosfet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、电力电子技术在汽车行业的应用1、简介如今汽车用电源形成了多种电源并存的局面，以便实现汽车的各种功能，其中 免不了利用电力电子技术(例如，冋波技术，藉能量管理或功率管理的最佳化, 高可靠性，利用线控装置

5、的电子控制系统等)。由于pe技术导致了“响应性好”、 “软控制的灵活性”、“小型轻量化的操控j “高的效率”等一系列优越的性能，如 今其在汽车领域广泛应用，2、普锐斯驱动系统简介丰cd混合动力系统由以下主要结构部件 组成：高效率的汽油发动机，动力分离机 构，发电机，电动机，逆变器，升压变换 器，银氢电池，以及对这些进行协调控制 的系统控制装置。发动机的高效率运转和无级变速功能演 示：(1) 停车时，发动机停止，发动与轻载运行 时仅由电动机驱动ev行驶；(2) 加速时，将发电机作为起动机，起动发 动机。发动机的功率，藉行星齿轮机构分 离成直接驱动力与发电机的驱动力，发电 机向电动机供电；电动机駆

6、动轮a功力传力自 -4电力件力臼(b>动力传愉方向逆受話(3) 急加速时，不仅增加发电机功率，还藉 来自講电池的功率，以提升电动机的驱动力；(4) 正常行驶时，控制发电机和电动机的转速，达到发动机效率最高。同时， 按照需要对蓄电池进行充电；(5) 减速时，将电动机作为发电机使用，实现能量的冋收。3、常用的电子电力技术装置(1) 逆变器单元在prius主驱动系统中，电动机和发电机所用三相电压型逆变器(功率分别为50kw 和30kw)被集成在一个模块上，直流母线最犬供电电压被设定为500v。功率器 件选用带有反并联续流二极管的商用igbt (850v/200a)，该功率等级的igbt具有 足

7、以承受最大500v反压的能力，以及其它诸如雪崩击穿、瞬时短路的能力。功率控制单元 k50kw功率主回路示意图目前，电动汽车普遍采用pwm控制的电压型逆变器，这种逆变器具有线路简单、 效率高的特点，同吋pwm逆变器呈现出以下几种发展趋势：a、采用igbt器件，工作频率高，并减少了低频谐波分量和起动时的电流冲击b、电机额定频率相应提高了，扩大了调速范围，在更好地满足运行耍求的同时, 减少电机的体积和重量，提高功率比。c、采用dsp为核心的计算机控制系统，能够实现可靠的矢量控制和运算，电机 可做到快速恒力矩起动及弱磁高速运行，这种控制系统稳定，电流冲击小，控制 效率高。(2 ) dede升压变换器单

8、元在ths中，蓄电池组通过逆变器直接与电机和发电机相连；而在ths ii中，蓄电 池组输出的电压首先通过dcdc升压变换器进行升压操作，然后再与逆变器相连, 因此逆变器的直流母线电压从原ths的202v提升为现在的500voprius thsii可变压系统电路结构图500vprius ths与ths ii直流供电方式比较这种系统具有如下优点：(1) 由于电机的最大输出功率能力是与直流母线电压成正比的，因此与原ths 系统的202v供电工况相比，在不增加驱动电流的情况下,ths ii系统中电机在500v 供电时，其最大输出功率以及转矩的输出能力是原ths系统的2.5倍；此外相同 体积的屯机，还能

9、够输出更高的功率；(2) 由于使用了直流母线供电电压可变系统，因此ths ii可以根据电动机和发电 机的实际需要，自由的调节直流母线供电电压，从而选择最优的供电电压，达到 减少逆变器开关损耗以及电动机铜损的节能目的；(3) 对于供电电压一定的蓄电池组来说，由于可以通过调整升压变压器的输出 电压的方式，来满足电动机和发屯机的实际需要，因此从某种程度上讲，可以减 少蓄电池的使用数量，降低整车质量。(3)dc-dc降压变换器单元prius选用了 14v蓄电池组作为诸如控制计算机、车灯、制动器等车载电气设备 的供电电源，而对该蓄电池的充电工作则由肓流202v通过一个dcdc降压变换 器来完成的.14v

10、蓄电池充电用dc-dc变换器三. 电力电子技术在其他机械装置中的应用直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范圉内平滑调速，在轧钢机、 矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金屈切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性 能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流调速系统，特别是双闭环直流 调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢 机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相 全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统 采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等。如今直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：a、常规的晶闸管育流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构， 减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而ii维修方便。b、动态参数调整方便。c、系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的 可靠性。<1、可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能。e、可采用数字反馈来提高系统的精度。f、：容易与上一级计算机交换信息。g、具有信息存储、数据通信的功能。四、结束语本文结合丰hi汽车公司的最新一代混合动力电动汽车，综述了电力电子技术在混 合电动