电力电子及其应用的十年展望

1、.：.；电力电子及其运用的十年展望电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子及其运用曾经走过了从诞生到成熟的困难历程。但在人类的科技史上看这仅仅是开场。让我们从时代前进的角度，对包括资料、元器件、整机和系统，从根底实际到可靠性的改善，来初步展望电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子及其运用在可以预见的今后十年的新开展。脱胎于以 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子管电真空器件和充气管器件为根底的“工业 HYPERLINK tech.bj

2、x/keyword.asp?keyword=电子 电子学、在电力半导体器件开展推进下诞生的“电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子学曾经走过近50年的历程而逐渐成熟起来。它以优化功率变换为己任，以高效节能节材为专长，以为自动化、智能化、机电一体化效力为目的，今天曾经浸透到电能的产生、保送、分配和运用的各行各业，日益显示出与微 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子类似的根底高科技的一系列特点。电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子及其

3、运用的进程是非常困难的。它是一种强电 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子技术。正由于它经过弱电控制来同强电打交道，所以不断有越来越深层次的可靠性问题被发现、被提出，使其实际和实际的内容越来越丰富。所以，电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子还是处于不停的开展中，蕴藏着宏大的生命力。我们从时代前进的角度，基于对过去近半世纪来的提高的回想和当代初露端倪的新苗头，来初步展望电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子及其运用在可以预见的今后十

4、年的新开展。1向高电压、大电流、高速化方向开展、“各司其职的电力半导体器件近半个世纪来，电力半导体器件出现了几十种产品，从实际、构造和工艺的创新、运用广泛和继续的视角来看，功率二极管、晶体闸流管、可关断晶闸管GTO和电场控制器件IGBT为代表是几个开展平台，从每个平台又派生出假设干相关的器件来。当然，一切参数均佳的“全能冠军式器件是不存在的。必然是顺应不同的运用需求而会有不同的器件得到详细的开展；而不同的器件又会找到最适宜本人特点的运用场所。1.1功率二极管1在现代电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子线路安装中，除了大功率工频整流的根本

5、功能之外，功率二极管还日益肩负起高频整流、续流、隔离、箝位、吸收等越来越多的功能。除了电压、电流的目的外，二极管的反向恢复特性成为最被关注的参数。可以能动地控制恢复电荷、恢复时间、恢复软度及其一致性的工艺技术，以及为折衷超快恢复特性与压降之间的矛盾而必需采用横向耐压的、减少外表电场的RESURF技术将会进一步成熟起来。为满足频率越来越高的高频整流和高效率的伏级低电压计算机等整流电源开展的需求，高性能肖特基二极管和用功率MOSFET组成的同步整流器将会普及运用。1.2晶体闸流管在特大功率的工频开关运用中，晶闸管以其耐压高、通态压降小、通态功耗低而运用在高压直流输电HVDC、动态无功功率补偿、超大

6、电流电解等场所占有优势。今后十年，我国以三峡电站为代表的一系列西部水力发电站的建成所需的直流输电工程需求大量6500V/3000A级晶闸管；300kA电解铝设备要求用大量2500V/5000A级晶闸管。它们的动态特性，如前者的反向恢复电荷的一致性，后者的di/dt耐量高将成为必需攻克的技术细颈。此外，为处理触发绝缘的困难，要求制造这种参数的光控晶闸管用于HVDC的呼声日益高涨。1.3从GTO到IGCT常规GTO因其关断增益不能够太大而必需借助于足够大的负门极电流约为主电流的三分之一左右实现关断。有人把GTO关断所需很大的负门极电流以为是靠门极阴极结的反向雪崩来传导的，这种错误观念误导了不少GT

7、O的运用者，使运用中莫名其妙地烧了不少GTO。实践上，施加负门极脉冲前，GTO必需先开通，即121被满足，在阳极电流足够大之后，才干施加负门极信号来降低门极电位，呵斥阳极电流的相当部分从阳极直接流向门极而减少了经过阴极即npn晶体管部分的发射结的电流，从而使门极阴极发射结对应的电流放大系数减小，最终在126000V/800A级IGCT曾经商业化。1.4从IGBT到IEGT1IGBT在实际中显示了本人的生命力，最近IGBT在大功率、高频率方向上获得了可喜的突破。1沟槽Trench构造降低IGBT的通态压降常规IGBT在栅极下方不可防止地存在一个结型场控晶体管，采用沟槽构造挖掉了这个晶体管，使IG

8、BT的串联电阻明显减小。这要求处理挖槽、侧壁氧化及垂直制栅等详细工艺问题。2非穿通NPT构造实现多芯片并联，以扩展IGBT电流容量穿通构造能减薄基区，在晶闸管、GTO等多种电力半导体器件中得到广泛运用。在常规电压IGBT中，为减薄外延层，也采用穿通PT构造，但PT构造中各并联单元之间存在着电流分布不均的严重问题。IGBT的制造又要经过十来次光刻，其废品率不允许像晶闸管、GTO那样在一个大硅片上直接做一个器件。所以，要想得到大电流容量的IGBT，必需采用多芯片并联。采用NPT构造，在额定电流下，各IGBT芯片并联时能实现自动均流的功能。于是，采用NPT构造的多芯片如几十个并联，已成为IGBT向大

9、电流容量开展的主要技术措施。3用单晶片取代外延片制造高电压IGBT1200V以下的IGBT，基区只需100多微米，只能靠在足够厚度的超低电阻衬底硅片上外延生长出来，才会坚持其机械强度，加工时不至碎片。制造高电压IGBT，基区厚度要求到达几百微米，这就可以不用外延片而直接采用高电阻率的单晶硅片了。4提高基区内载流子浓度分布的IEGT高电压的常规IGBT，由于基区大大加宽，导通压降太大。采用注入加强栅晶体管构造IEGT，添加基区中的载流子浓度来减小其体压降。这是IGBT走向高压化的又一重要措施。所以，IEGT是高电压化的IGBT。目前4500V/3000A的IGBTIEGT曾经商品化。不久，650

10、0V级IEGT也将适用化。5霹雳型IGBT向150300kHz前进正常IGBT的任务频率在1020kHz，其开关速度比GTO、IGCT快得多。在交流电动机变频调速中，它是较好的选择。它在中小容量安装中淘汰功率双极晶体管GTR已成定论。IEGT在高电压领域中坚持快速开关特性。在20世纪末，采用特殊构造和特殊少子寿命控制如质子注入加特殊退火工艺规范的IGBT，在6001200V电压程度下，使任务频率到达150kHz硬开关和300kHz软开关，被称为霹雳型IGBT。它们将在开关电源中与功率MOSFET竞争，以其导通压降小，电流密度大，电压等级高，本钱低等优点占有优势。今后十年的开关电源，也许这种IG

11、BT的市场份额将会扩展。1.5功率MOS场效应管MOSFET在竞争中快速开展20世纪90年代初业界就有不少预言，功率MOSFET将随价钱的降低而逐渐扩展其在量大面广的晶体管总市场中的份额，从而将胜过固有二次击穿问题的双极结型晶体管。在2000年，二者市场份额曾经根本持平。今后十年，功率MOSFET的这种优势将进一步开展，特别是在汽车 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子每辆轿车约采用40120只MOSFET、计算机外部设备、各种开关电源和 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子镇流器等开关运用

12、的领域，将成为功率MOSFET的宽广市场。如前所述，在较高电压如300V以上、中等频率如200kHz以下的开关电源中，功率MOSFET将遇到高频化的IGBT的竞争。但是，一切含有PN结的硅器件包括二极管，其导通伏安特性上均有至少0.7V的门槛电压降，而功率MOSFET表现为纯电阻特点而呈从原点发出的直线。所以在100V以下的开关运用中，MOSFET的导通电阻低于结型器件，超低导通电阻的MOSFET占有绝对优势，这对高效率的伏级开关电源是重要奉献。另外，在200kHz以上的高频运用领域，也是功率MOSFET的宏大市场所在。最近几百兆赫、几百瓦的射频MOSFET曾经商品化。未来十年，微波功率MOS

13、FET即吉赫波段的运用将能够促使微波设备的全固态化。低电压MOSFET的低导通电阻、极高的开关速度，以及其良好的并联自均流特性双极器件难以到达，使其成为大功率IGCT不可短少的组成部分。1.6碳化硅器件的登场碳化硅是一种高温半导体资料，任务温度可达600。PN结耐压易于到达510kV。导通电阻比硅器件小得多。导热性比硅好。漏电流特别小。如今碳化硅制成的高压二极管、MOSFET管均已问世。估计在今后五年内，碳化硅资料中的缺陷，特别是内部存在的“管道pipe密度将得到明显减少，资料本钱将大为下降，器件工艺更加成熟。到2021年，假设干种功率碳化硅器件将在市场上出现并逐渐得到普遍运用。器件是安装的根

14、底，一代器件将推进一代整机的前进。在未来十年内，电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子器件仍将是硅器件当家。碳化硅器件的开展速度遭到碳化硅资料完好性的制约。2不断提高运用可靠性，抑制电应力是关键3在稳态任务的电气设备中，设计师总是可以把元件选择和系统设计得非常可靠，由于稳态的电能分布是可知的，可控的。但是在电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统里，它的任务形状是经常变化的，在从一种稳态转入另一种稳态的过渡过程中，系统中的能量分布发生很大变化；另一方面，系统中的功率半导体器件总是任

15、务在频率越来越高的开关过程当中，产生很高的dv/dt和di/dt。这不仅使整个系统经常处在周期性反复的瞬态，而且随着开关频率的升高，器件开关过程中的损耗将远大于其稳态损耗。瞬态中能量在系统中的分布失衡，从而产生各种部分过电压和过电流通常表现为电压、电流波形上的“毛刺，通称“电应力。这些电应力的存在意味着能量的部分集中，瞬时功耗很大但作用时间却很短，引起部分过热超温、绝缘层的疲劳击穿、电机轴电流的出现致使轴承的电烧蚀、功率半导体器件的忽然损坏等灾难性后果。瞬态能量分布的失衡还常伴随着电流、电压波形的畸变，产生各种谐波。这不但污染电网、殃及电网上衔接的其他电器，而且在电力 HYPERLINK te

16、ch.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统中引起谐波损耗、谐波谐振、谐波转矩等多种问题，直接危及本系统运转的可靠性。因此，分析研讨电应力的出现缘由，采取各种抑制电应力的措施，是提高电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子运用可靠性的关键，是今后十年电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子产品能得以迅速推行运用的艰苦问题。2.1不同时间常数子系统共存的电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统的能量分布研讨电

17、力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统中存在着时间常数差别很大的假设干子系统。子系统的时间常数表征着该系统的能量分布从一种稳态转为另一种稳态的过渡时间。例如，在电动机调速的现代电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统中，存在着：1以秒计的机械时间常数表征的机电转换系统，它主要决议于转子和运动负载的转动惯量；2以毫秒计的电磁时间常数表征的电磁转换系统，它主要决议于定子、转子的电感自感与互感；3以微秒计的晶闸管、GTO等器件开关决议的主电路开关系统；4以纳秒计的IGBT、功率MOSF

18、ET等器件快速开关及某些拓扑中高频软开关环节决议的。普通地说，要用短于或等于某系统时间常数动作的措施来维护系统中的过电压、过电流。如今据了解皮秒级动作的新型压敏器件曾经上市4。以上第一个系统的研讨在经典的“电力拖动课程中得到了比较充分的展开；第二个系统的研讨也在“电机瞬态过程课程中得到良好的分析。应该说目前从纳秒到皮秒系统的研讨还是很不够的，目前除了用“Sunbber吸收、缓冲的概念外，研讨的根本模型和得力方法尚未建立起来，电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统中有关电应力的规律研讨还刚刚开场。如今，有了计算机仿真的手段，有能够在今后

19、十年内完善从拓扑、建模物理模型和数学模型、模拟等以能量的角度来综合研讨电应力、讨论失效机理、改善可靠性的系统性成果出现。在一定意义上讲，电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子科技任务者正是经过不断研讨、协调、处置过渡过程中的“能量失衡，来提高系统可靠性的。其实，我们熟知的“电容上的电压不容突变，电感中的电流不容突变均来源于系统中的能量不容突变。电容C贮藏的电场能量ECV2,dE/dtC2Vdv/dtCVdv/dt。电感L贮藏的磁场能量ELI2，dE/dtL2Idi/dtLIdi/dt。所谓电容上的电压突变，就是dv/dt；电感中的电流突变

20、，就是di/dt。它之所以不允许出现，就是由于dE/dtP功率，功率P不会是无穷大。2.2采用无感功率母线是运用快速开关器件的现代电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子安装的必备元件在运用快速开关器件时，电压、电流常以脉冲方式出现，其前、后沿有极高的dv/dt和di/dt。常规电缆和实体铜板母线都有很大的寄生电感和寄生电容，一根10厘米长的直圆导线就有约10纳亨的寄生电感。电感与di/dt的乘积就是过电压毛刺的高度。为了减小接线寄生电感、抑制电应力，在现代电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=

21、电子 电子安装中必需采用特别设计制造的无感功率母线，主回路中的各种元器件都安装在这种功率母线上，不再添加另外的接线。无感功率母线是用多层每层不同电位很宽的薄铜板母线彼此绝缘并粘合成一体的，从每一层母线有特制的、彼此电绝缘的螺栓同各个元器件相联接。其寄生电感比普通接线减少12个数量级。而且整机的构造大为简化和紧凑。无感功率母线在电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子安装中的采用，国外已有十多年历史了，其成熟产品在国内仍很鲜见。今后十年，无感功率母线应该得到普及。2.3元器件整机合一的集成化、智能化模块的推行近十年来，所谓Allinone的电

22、力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子安装正在逐渐推行。它是把一台安装的全部硬件各种元器件、集成电路有序地以裸片方式组装在一个模块里，使各元器件之间的引线减少到最低程度。整机设计制造人员只需在DSP或微处置器芯片上写入各种软件就可以了。这样做，首先是减少电应力，提高可靠性；其次是整机构造紧凑，体积减少，功率密度提高，一台75kW的电机变频调速用的模块，尺寸只需800400300mm这么大；同时这种封装构造替代了常规安装的三次封装，本钱也降低了。这种产品通常称谓“用户公用智能化功率模块ASIPM。这样，采用计算机辅助设计CAD可以把运用安装设

23、计者要求的电路元件及其接线，科学地布置、安装在一个模块中，一致密封起来，安装在必要的散热器上。用户运用非常方便。2.4选择、采用合理的维护措施在电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子安装中，针对换向过电压、操作过电压、大气过电压要采取相应的维护措施；对于各种不同的器件要采取与之相顺应的强触发驱动和维护方式；在串并联时，要思索它们的均压、均流；对于过电流、超温暖短路等缺点也要采取合理的维护。这些属于电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子运用技术的通用部分。要留意的是，电力 HYPERL

24、INK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子安装中的各种元器件往往有其特殊要求。很多场所下要留意选用无感电阻、无感电容；隔离、箝位用的二极管必需具备快速恢复特性；“交直交直流环节的储能电解电容不仅应无感，还要减小其串联等效电阻，要用足够粗的多引线并联引至端子。最近有报道4说动作反响速度到达10-12秒皮秒的维护元件曾经问世，它能抑制现代电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统中的各种过电压毛刺，后者的继续时间是10-9秒纳秒量级。这种皮秒级动作的过压维护元件有能够把动作电压值置于比正常峰值电压略高点，于是

25、，很多纳秒级的过电压毛刺都可以被削平。这样一来，现存的过电压应力都能得到充分抑制；由大量过电压毛刺对应的瞬态功耗总值也被节约下来在大型电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子安装中，有因此节电1015的报道；过电压毛刺的削平，还可降低各种元器件的耐压贮藏，从而减少元器件破费，降低安装本钱。在未来十年内，这种维护元件很有运用前景。3全面控制电气参数的变换，向波形重组前进3各种不同的电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子变换器，其本质是变换系统输入电气参数为用户需求的输出电气参数。最根本的

26、电气参数有：电压、电流、频率、相数，以致于波形等六项。纵观电气科学的开展史，19世纪末基于电磁感应原理而问世的变压器，实现了交流电压和交流电流的自若变换。由此逐渐构成了庞大的输变电行业，实现高压交流输电和低压配电到用户，使电能的方便运用成为现实，并迅速推行普及，为近代工业和生活质量的开展提供了重要的能源根底。20世纪下半叶电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子技术的提高，逐渐诞生了整流器、斩波器、逆变器、变频器等各种功率变换器，完成了频率、相位、相数的受控变换，使电能的产生、保送、分配和运用实现了优化，使以电能为中心的各种能量的转换，使电

27、参数的全方位控制和改动，上升到高效率和高功率因数的新阶段。电气参数的全面受控变换，使得“高效率用电和高质量用电相结合的目的正在一步步成为现实。伴随着高性能微处置器和高速功率开关器件的提高，可以预见到：在21世纪中，电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子和微 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子全面结合，进一步开展和改善，将会实现电压、电流波形的优化重组。3.1脉宽调制PWM是波形重组的胜利范例20世纪后二十年，脉宽调制PWM技术从无线电领域引入到电力 HYPERLINK tech.bjx

28、/keyword.asp?keyword=电子 电子中来，得到很大胜利。首先在DC/DC变换中的直流脉宽调制，处理了高效率直流变压、变流的难题。这种技术被从几瓦到几百瓦的开关电源推行到几十、数百千瓦的直流电机斩波调速中，经过调制脉冲宽度和脉冲反复频率相结合，完成了很宽范围的直流无级调速，在直流电机传动中显示了比调理电枢电阻和磁场电流的传统调速方法高效得多的节能效益。这是从延续直流波形重组为断续脉冲波形再滤波重组为新的延续直流波形。它在逆变式直流焊机中也得到有效地运用。后来，在交流电机的交直交变频调速中，特别在其中“直交逆变变换中，广泛采用了各种交流脉宽调制交流PWM技术。它按特定规律变换出一系

29、列不同宽度其脉宽同所在时相的正弦成比例的方波脉冲，再经滤波重组成正弦化的输出波形，送到交流电动机负载。这种波形重组也是非常胜利的。在开关电源中，工频交流电源整流后向滤波电容每周波只充电一次，构成了电网侧的输入电流严重畸变，功率因数大为下降，谐波大为增多。如今普遍采用了高频化PWM技术来实行有源滤波，保证每周波对滤波电容有上万次充电，使输入电流重组成近于规范的正弦波，功率因数改善到几乎为1的程度。近来，中电压大功率交流电机的变频调速安装中，多电平级联式模块又是PWM波形重组的一个实例。每个模块都把变压器副边的一组三相绕组的三相电整流为直流后再逆变为单相交流电。这些模块的输出经过专门的控制软件的指

30、令，再把它们级联重组为三相正弦波送到电动机上。其中又一次胜利地采用了特定的脉宽调制技术。3.2交交矩阵式变频器是波形重组的典型开展20世纪变频器无论是交流电机变频调速还是开关电源的变换主回路的拓扑根本上以交直交变换为主，以直流环节采用大电容或大电感而被区分为电压型从负载侧看是低内阻的电压源供电或电流型从负载侧看是高内阻的电流源供电变频器。在20世纪末出现的交交矩阵式直接变频器省去了中间直流环节，在三相输入和三相输出相交的矩阵九个节点上各用一对反并联的开关器件联接起来。靠着这些器件的特殊有序开关，把每一瞬间的三相输入电压依一定的规律送到副边，组成频率、相位不同于输入的新三相系统供应负载，实现输入

31、电流的PWM波形重组和输出电压的PWM波形重组。这样，有更高的转换效率、消除了电源输入电流的畸变而大大减少了谐波、功率因数可到达1、可满足四象限运转，还可以全容量回馈。这种波形重组将推进电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子实际、元器件如有可用的双向IGBT，那么使安装大为简化、拓扑、控制等多方面的开展和提高，有能够成为21世纪各种电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子变换安装采用的主要拓扑。3.3波形重组下的有源无功功率补偿谐波滤波安装传统电路中，在正弦波形下由于电抗性负载电感、电

32、容同电源交换能量而构成的相移无功功率可称为第I类无功，可以经过合理地并联电容器的方法得到补偿。在现代电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子电路中，除了正弦基波与电压之间的相移使存在这种同样的第I类无功之外，还由于各谐波电流同正弦电压之间构成的畸变无功功率可称为第II类无功。第II类无功只靠电容器是得不到根本补偿的，必需同谐波滤波相结合。比较好的方法是采用有源无源结合的“无功功率补偿谐波滤波结合的安装，以减弱对电网的污染和提高电力质量。如今已有多种这样的补偿滤波方案。曾有这样的方案：把畸变的三相电流分解成各次n个谐波，每组同次三相谐波又各自

33、分解成正序、负序、零序三个分量。对这3n个分量分别进展补偿，再把它们组合起来。这种分析方案过于复杂庞大，难以实施操作。看来在今后十年中会研讨开发出来波形组合方案，有能够是最有效的。在这种方案里，畸变电流只需分解出一个同正弦电压同相位的基波电流，二者相减即得到一个电流中一切谐波分量和基波无功分量混合的实践波形。以这个波形为目的，重组发生一个与之波形一样、大小相等、相位相反的倒影电流。在同该畸变电流汇流后，一切谐波和无功电流都相互抵消了，只需功率因数为1的基波正弦电流流入电网。这种恣意波形电流发生器已在研讨之中，并获得了喜人的进展。可以预见，利用波形重组实现的这种“无功补偿谐波滤波一体化安装将在未

34、来十年获得长足的提高。4电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子新运用领域展望同以往相比，今后十年内有希望成为电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子运用新领域的市场热点在哪里？从如今正在开发和需求的情况看，以下几个方面的动向值得留意。4.1电机系统节能5电动机拖动系统耗费掉全国用电量的62左右，既是第一位用电大户，也是节能潜力最大的用户。我国政府在本世纪初提出电机系统节能方案，在今后五年内，方案投入500亿元，争取年节电到达1000亿kWh。这是一项非常艰巨的义务。特别是作为国民经济各

35、行业主力配备所用到的中电压110kV大功率4002000kW电动机系统，实现调速节能还有不少问题有待处理。其中大家看好采用IGBT、多电平、级联式、无电网污染的变频器。这里，科学地划定用电电压等级、进一步抑制电应力呵斥的电机绝缘层疲劳击穿与轴承电蚀的失效损坏、提高电动机的能效程度、降低变频器的本钱与售价，都是推行中有相当难度的措施。在风机、泵、紧缩机之类通用电机系统中，节能调速潜力很大，在石油、电力、冶金、有色、化工、上下水处置等行业中有很大需求。它对调速精度要求不高，但要求调速器可靠耐用、价钱廉价。因此，在新十年中应注重对经济型调速安装的开发，使这种系统的节能效益早日得到实现。在变频工况运用

36、日益增多的今天，设计、制造同变频工况的特点相顺应的公用电动机是很必要的。面对中国即将成世界电动机的制造、供应基地的现实，尽快制定与世界接轨的电动机和变频器规范，按全寿命期中总能耗最低、总费用最少的思绪来设计有本人知识产权的系列电机和公用变频器，是需求仔细做好的根底任务。4.2永磁无刷电动机及其“直流变频调速永磁无刷电动机采用永磁替代电流激磁，可使电机效率提高48个百分点。当它用位置传感器或靠软件计算替代位置传感器信号按 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子换向器控制任务、电枢电流为方波运转的，即为永磁无刷直流电机方式，又称“自控式同步电机。当

37、它靠外加变频器控制、电枢电流为正弦波运转的，那么为永磁同步电动机方式，又称为“他控式同步电机。这种电机兼有交直流电动机二者的优点，调速范围宽，电机构造简单，低速转矩比较大，对电动机械来讲有能够做到在很宽速度范围内直接驱动，从而减少噪声免去变速箱或皮带传动，还有电机惯量小等优点。目前，在日本的空调产品中调速空调已占到95以上。在此领域中，如今异步机的交流变频正在被这种永磁无刷电动机的所谓“直流变频所替代。直流变频空调已占到空调产品的50。而且，在冰箱、洗衣机等家用电器中采用“直流变频已成为潮流。所以对于今后十年的中国家电市场来说，也将应是永磁无刷电机直流变频占主导。这种安装单台容量虽小，但量大面

38、广，市场总量及节能总量都不可轻视。目前永磁无刷电动机的容量遭到磁铁尺寸、钕铁硼永磁资料的居里点等方面的制约，除家用电器市场外，在计算机外围设备、电动车辆和电梯牵引等领域中也显示了明确的优越性。中国是稀土资料的富国，占世界储量78以上。把这种资源优势转化为效益优势，是未来十年开展的重点。最近240kW的这种电机及其控制器曾经完成鉴定。未来的开展不可限量。要指出的是，永磁无刷电动机在伺服传动领域中有不可替代的优势，在机械人、数控加工系统，以致军事运用中会有宽广运用天地。4.3电动车辆及充电站网络中国人多地大石油少，如今中国每年已进口许多石油。在21世纪前半叶，地球上的石油天然气资源日益减少，以致早

39、晚会用尽。特别在中国国情下，城市交通以开展电动车辆为主是必然的趋势。大城市间的磁悬浮列车、城市内的电动高架列车和地铁列车、个人用电动自行车和电动汽车将构成未来的交通网络的主角。其中，大有电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子产品的用武之地。磁悬浮列车的磁悬浮电源和直线电动机的变频调速；城市高架列车和地铁列车中异步电动机的变频调速；电动自行车和电动汽车中永磁无刷电机的外转子调速，在今后十年里会有很大的开展。这里，电动自行车和电动汽车的普及必需处理无刷电机及其控制器、环保电池、快速充电器和充电站网络效力等几方面的问题。如今看来，在中国推行电动

40、自行车替代摩托车作为代步工具技术上正在趋于成熟。这里必需采用镍氢电池组和锂离子电池组，消除常规铅酸电池对环境的污染。这种价钱尚偏贵的电池组可以采用向电动自行车用户出租运用的方式，实行由间距合理的电池充电站一致充电和用户自行充电相结合的方法。铅酸电池与锂离子电池如36V，10AH相比，前者重12kg，后者仅2.4kg。电动汽车的开展又是电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子未来的潜在大市场。首先是高能量密度的清洁电池的突破。比较有希望的是燃料电池，它的起动和稳定运转都要用电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?k

41、eyword=电子 电子产品与之配套。其牵引系统方案中令人最感兴趣、并已有工业运用前景的，要属安装在四个车轮中的外转子盘式永磁无刷直流电动机驱动了。这种电机构造的优化设计、高性能控制调速传动，以及四台电机转动的协调运转，将为电动汽车的温馨运转，零半径转弯提供技术保证。今后十年将是电动汽车适用化开展的关键时期，电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子产业可以也应该为此做出相应的研讨开发任务，积极迎接这个庞大市场的到来。4.4中压直流输电20世纪的后二十年，电力系统中采用高压直流远间隔 输电显示了很大的优越性。葛洲坝上海的120万kW、500k

42、V输电线路正常运转了十多年。今后十年三峡电站和红水河等西部水电站的西电东输工程，高压直流输电将陆续建成。这都是数百万kW级的国家工程。采用直流输配电系统具有功率因数高没有无功问题、电网污染小、节电等优点。这种技术有能够在今后十年推行到中电压1kV左右直流输电范围来。在石油、矿山、电力等部门企业中，用电负载分布在相距几十、上百公里的范围，不能够也不值得在各运用点设大量降压变电站，从总发电站或总变电站送出的工频三相380V规范电力有很大线损，而且沿输电线的偷电景象非常严重。如今曾经完成了一项在石油油田中采用中压直流输电的改造工程。变电站里设置一台容量较大的整流器，送出1kV直流电；在负载侧首先安装

43、斩波器，把输入电压灵敏地稳定到与三相380V交流系统顺应的直流值；然后接逆变器，把该稳压直流电逆变成工频规范电压，以交流三相380V供应抽油机等需求调速的正常负载节能运转。这样，把大量的“交直交变频调速器展开了：把“交直整流部分集中到主变电站，而把“直交逆变部分分布在各用电点。既节约了电能，又防止了偷电。随着电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子运用的推行，许多工业设备和家用电器中都采用“交直交变换，这在交流供电系统中是不可防止的。假设逐渐采用直流供电，充分发扬逆变器和斩波器的作用，来高效率地供应各种交、直流负载。这样的社会供电系统，也许

44、会带来更平安、更经济、更节能的社会效益和经济效益。这当然是一种畅想，但在未来十年中，会在某些行业中先行，再逐渐推行。4.542V直流汽车 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子系统6现代燃油汽车特别是轿车中，电气负载越来越多：包括起动电机在内的各种电动机达3070个、多个电磁阀、车内外照明与仪表显示、水泵、风扇、冷暖空调电器和各种车用 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子配备，其功率将从2kW/台添加到10kW/台。这样，采用12V蓄电池供电系统汽车发电机为14V端压的线损太大了。同时思索到供

45、电电压对人体的平安保证，1994年开场提出把汽车供电系统的电压提高到36V蓄电池，汽车发电机端压为42V的动议，现已为美欧汽车行业接受，首先在3升以上排量的奢华轿车中推行，再逐渐扩展到一切轿车和其他汽车。这种系统中采用60V级功率MOSFET当作无触发继电器，控制门、窗的开关，座椅的倾斜与复位等，约装有100多只。在新添加的汽车 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子和汽车电器中坚持推行36V额定电压，对老的12V电器与 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子设备那么采用42V/14V的DCDC变换器供电。汽车行业的这项决策无疑给电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子产业带来了极大的商机。在未来十年中，这项过渡即将实现。国际汽车 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子界的这场战略变化的举动应该引起国内汽车行业和电力 HYPERLINK tech.bjx/keyword.asp?keyword=电子 电子行业的关注与投入。4.