電力電子技術的主要應用領域

電源設計中的電力電子技術

現代計算機和通信等都依賴于開關模式變換器的直流電源，這些電源裝置可以是筆記本電腦的電池管理變換器，也可以是服務器簇的冗餘供電的多變換器電源，或是程控交換機的電源。它們具有多路獨立輸出、多電壓等級的特點，以供給計算機及其外設和顯示屏之需。這種小功率電源系統的設計也處處滲透着電力電子技術的最新成就。

分布式供電技術。給計算機系統供電的分布式結構電源.包括個離線式有源功率因數校正（PFC）電路和後級的不同負載點的多個DC/DC.變換器。這種結構因使用中間電壓級來進行功率分N而不同幹傳統的隆壓功率變換結構。近期會采用12V的電壓總線或 48V 的電壓總線，通過各 DC/DC. 變換器把能量傳遞到各獨立的功能闆或子系統中。

高動态響應、低電壓（2 V以下，甚至1V以下）輸出的高性能計算機電源系統正在開發之中。這就需要高功率密度、低功耗、高效率的性能指标，以及同步整流、多相多重、闆上功率變換以及闆級互聯等新技術。到 2004年初，國外實驗室已開發出70 A/1.2V、效率87%的局性能電源。在不久的将來，一種更先進的芯片級的互聯技術和功率變換技術将會出現在世人面前。

通信工業是供電電源和電池的最大用戶之一，使用範圍從無繩電話的小電源到超高可靠性的後備電源系統。例如，維持中央辦公區電話網絡通信的典型電源系統是一個5kW的功率變換器，它由一個前端離線功率因數矯正（PFC）升壓變換器和兩個2.5kW 的前向變換器組成。前端離線 PFC升壓變換器确保電源系統的可靠供電.後端的前向變換器給電話系統直流48V的配電總線提供大電流輸出。該領域甚至有其自己主要的年會——國際通信能源會議（INternational TELecommunication Energy Conference，INTELEC）。

太空中電能的産生和儲存都很困難，電源在設計上的限制，諸如重量、效率和可靠性等的嚴格要求，可以說把對電力電子技術研究的努力推向了極緻。

太陽能申池、料申池、執申核能，申池組和飛輪，是衛屋和太空探測器的主要電源和儲能裝置。在絕大多數情況下，因這些電源功率小日電特性不穩定，因此必須應用電力電子技術把這些能源轉換成可用的形式，才能滿足使用的要求。

現代太空電源系統非常龐大。例如，一個典型的通信衛星就裝備有數百個獨立直流電源，為每個網絡節點提供最可靠的電能;國際太空站上，用以維持科學探索任務和生命支持系統的冗餘電源和饋電設備異常複雜。在太空上。因為所有電能損耗的熱量都通過輻射冷卻的形式散發到太空中，這些電源系統在高溫差和強輻射的環境下要确保其可靠性，其挑戰性是巨大的.所以電源系統的熱管理尤其重要。當今許多基本的由力由子變換由路 最初都是為太空系統設計的，如早期的DC/DC變換器和燃料電池，就是為20 世紀 60年代的太空計劃而開發的.其中包括阿波羅登月計劃。當今.美國航空航天局.歐洲的大空署，以及它們的主要技術供貨商，都是先進電力電子技術的國際巨頭。

電機傳動中的電力電子技術

在 20世紀 90年代中期以前，大多數調速系統都由采用晶閘管和雙向晶閘管器件的變換器供電，最典型的是晶閘管-直流電機調速系統。20世紀 70年代功率晶體管問世後，在功率等級較低的電機中逐步采用了功率晶體管變換器.以獲得較好的申電機調速性能。20世紀 90年代中期以來，大功率IGBT的應用，以及 IGBT逆變技術的成熟和發展，迅速在相關功率等級的應用領域取代了晶閘管和雙向晶閘管。早期的逆變器，主要用于步進電機.打印機，機器人以及磁盤驅動器等小功率應用中。在大中功率段常用的交一直一交逆亦器有兩類。

IGRT變頻器和GTO變額器。這些逆變器開始主要用于20~100kW等級的由機傳動系統中。如電動汽車電機傳動系統、電力機車的輔助傳動系統。随着器件容量和裝置功率的增加，逐步應用于容量為300~1 000 kW 及其以上的電機傳動中，如地鐵列車和高速電動車組的牽引傳動系統中。由于裝置功率大，低壓時電流很大不經濟，所以一般用中壓（1~10kV）。這兩種器件各有優缺山.IGBT開關頻率高.但導通壓隆和損耗大;GTO電壓高，電流大，導通壓降小.但開關損耗大、開關頻率低。

但考慮到驅動等因素，總體上IGBT要受歡迎得多。針對IGBT和 GTO的優缺點，取長補短，開發出了IGCT（集成門極換向晶閘管），它的電壓、電流、導通壓降和 GTO相近，門極電壓驅動，開關快、頻率高，像IGBT。目前，商品化的IGBT逆變器已經做到1 000 kW以上，而像艦船潛艇一類的數千千瓦等更高容量的電機傳動系統逆變器仍然須采用GTO 或 IGCT。IGCT逆變器在俄國和韓國已有應用，我國也已試驗成功。三相逆變器在大功率電機中的真正實用化，極大地推動了交流電機調速的發展。

電力系統中的電力電子技術

電力系統是電力電子技術應用的一個重要領域。近年來電力電子器件和計算機技術的快速發展，使已有的研究成果和技術不斷得到改善。最早成功應用于電力系統的大功率電力電子技術是高壓自流輸電（HVDC））。

1986年美國電力科學研穿院提出了靈活交流輸由（FACTS）概念，相繼出現了統一潮流控制器等多種設備。

1988年提出了定制電力（Customer Power）的概念。電力電子技術在電力系統中的應用，如在發電環節中的應用，包括大型發電機的靜止勵磁控制，水力、風力發申機的變速恒頻勵磁等。在輸電環節中高壓直流輸電（HVDC）和輕型高壓直流輸電（HVDC Light）技術。近年來，輕型直流輸電采用IGBT組成換流器應用在脈寬調制技術進行無源逆變;靈活交流輸電（FACTS）技術是"一項基于電力電子技術與現代控制技術對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實施靈活、快速調節的輸電技術"。

在配電系統中的應用，如動态無功發生器、電力有源濾波器等，以加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓形率，諧波和不對稱度的要求。又要抑制各種瞬态的波動和十擾。電力電子技術和現代控制技術在配申系統中的應用.是在FACT各項成敦技術的基礎上發展起來的電能質量控制新技術。

汽車工業中的電力電子技術

汽車工業領域已成為電力電子技術的主要增長占之—。現在人們習慣上說的治車由子實際上就是汽車工業中的電力電子技術。電力電子在新一代汽車上主要應用于以下方面;用電力電子開關器件替代傳統的機械開關和繼電器;用電力電子控制系統對車上負載進行精密控制∶利用電力電子技術改造原有的12V電源系統，使之成為多電壓系統;使用适合電力申千控制的、更先進的驅動申動機。預計在不久的将來.從小功率的車窗 座椅控制。到大功率電傳動系統，都蘊涵着電力電子技術的最新成就。

電子點火器，電壓調節器，電動機驅動控制和音響系統是當前電力電子技術在汽車工業中最普遍的應用。現代汽車采用電子點火系統，要點燃氣缸裡的混合氣體需要幾千伏的電壓，應用升壓變換器和耦合變壓器正在取代傳統的火花塞。全電子控制的電助力駕駛系統正在某些車型上采用、這種系統應用電力電子技術控制電機，協助轉動駕駛杆，改進了駕駛響應速度，降低了能耗，并消除了皮帶傳動的噪聲，正在取代傳統的皮帶傳動的液壓泵。

電制冷空調系統也開始在汽車上裝備。汽車頭燈的強光燈和尾燈的高亮度LED燈也需要電力電子技術以有效的形式傳遞電能。一個重大的技術進步是要提高汽車電控系統的電壓等級，近期将采用40-50 V等級取代目前的 10~15V等級。比如，汽車音響系統立體聲功率放大器通常能傳遞 40W甚至更大的功率，但12V的供電電源在8 Q的揚聲器上最大隻能産生18 W的輸出，采用電力電子升壓變換器可給功率放大器電路提供更高的電壓，使之達到家用音響的效果。

在電動汽車和混合動力汽車的主電氣系統中.電力申子都起着決定件的作用。純電動汽車具有高性能、零排放，低成本的優點.但目前仍受電池的陽限制。混合動力汽車采用各種各樣的設計方案，把發動機和電驅動系統結合在一起，充分發揮各自的優點。兩種汽車的能量控制單元都是逆變器和 DC/DC. 變換器，其容量在千瓦級以上。

采用更高電壓、傳遞更大電流的新型充電器已經誕生。比如一種稱為 Hughes 的感應充電器就很有新意。它使用一種類似乒乓球拍的不導電磁性拍闆進行感應充電。該磁性拍闆相當于變壓器的一次側，它把工頻電壓轉變為80 kHz 的交流電。電動汽車中的充電埠相當于變壓器的二次側，它把高頻交流電進行整流和調節.然後對汽車裡的電池組進行充電電力電子技術更是電動汽車的核心技術之一，最為主要的是驅動電動機的電傳動系統。汽車電傳動系統通常由電力電子變換器、電池和控制系統構成。目前新型的電動汽車采用感應電動機，無刷永磁電動機開關磁陽電動機等多種形式.容量從幾十到幾百幹瓦不等，正在逐步取代傳統的直流電動機驅動。電力電子變換技術的發展為汽車的新型傳動方式提供了堅實的技術保障。

綠色照明中的電力電子技術

照明是人類文明的永恒需求。電光源在 100多年裡經曆了"白熾燈一直管熒光燈—高壓放電燈—節能熒光燈—無燈絲燈"等幾代産品。

20世紀 80年代，随着電力電子變頻技術的發展成熟，高頻應用又促成某些更新一代電光源的誕生，從此，電力電子在綠色照明中開始占有重要的一席之地。可以說，照明技術的迅速變革，是電力電子技術在其中起了主要作用。

一個典型的例子是，緊湊型節能燈和電子鎮流器的問世，吹響了以照明節能為核心的綠色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土熒光粉可制成各種色溫的氣體放電節能燈，發光率比常規熒光燈提高一一倍，可以做成各種形狀便幹緊率安裝，替代白熾燈T。可節電75%~80%采用電力電子技術做成的電子鎮流器實際上是一個電子變頻器（從50 Hz變換到30 kHz以上）加一個高頻電感鎮流器。

由于頻率提高，di/dt 高，不再需要配置起輝器，在供電電壓降低或環境溫度較低的場合也能使燈管正常工作，此外，在幾十千赫頻率下消除了氣體放電燈的爍和音顆噪聲。 采用申子鎮流器後，高頻電感比工頻電感重量減輕幾十倍，節省材料 80%左右，燈管的實際工作壽命延長3~5倍.同時能提供更好的可靠性、更低的損耗、更高的亮度。由于電子鎮流器體積小、反應快，它可以在照相機閃光燈和汽車燈等應用領域中使用。應該說，電子鎮流器是電力電子高頻化應用中的一個典型産品，許多的電力電子新技術——功率因數校正、諧波抑制、零電壓開關、多種保護等都可以在高性能電子鎮流器中得到應用而提高其可靠性和改善運行參數。

新能源開發中的電力電子技術

在全球氣候變化和世界石油、煤炭等化石能源日益緊缺的今天，低耗高效和尋找開發新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料電池受到世界各國的高度重視。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、風能、潮汐能、地熱能以及生物廢料能等。從燃料電池、微燃氣輪機.風能，太陽能和潮汐能等新能源中得到的一次電能，難以直接被标準的電氣負載使用.所以.将其高數而經濟地轉換為民生用電 。已成為先進科技國家兼環保和發電的重要産業政策。電力電子是解決能源問題的關鍵技術，它對新能源的開發、轉換、輸送、儲存和利用等各方面發揮着重要作用。

太陽能發電站一般有兩種方式。一種方式是把太陽能轉換為熱液體後再發電，如太陽能熱電廠。由液體加熱系統産生蒸汽以推動渦輪或發電機熱廠中的熱能位儲存裝置可保證連續發電;另一種方法是直接把太陽能轉換為電能，太陽能光伏變頻器把太陽能電池闆獲得的原始低電壓直流電變換為所需要的交流電，或直接供負載使用，或将電能饋入市電。光伏發電有廣大的市場發展潛力，先進國家不僅政策性地發展太陽能技術，而且立法制定法規來規範産業安全标準。太陽能電池闆獲得的電壓大小和功率與許多因素有關，如太陽照射角度、雲層遮擋水平、季節氣候變化等，所以要對光伏發電的中間直流電壓進行可調的升壓變換處理。

随着再生能源技術的發展，"分布式發電系統"将得到事大的發展空間。所謂分布式發電系統是指∶借由諸如風力發電、太陽能發電.天然氣發電等區域性發電系統連接而成的公共發電系統。微電子技術、電力電子技術應用于電力網絡與輸配電系統，形成一個智能型分布式再生能源網絡。講一步的發展是再生能源網絡與信息網絡結合形成個整合信自和電力網絡的未來生活環境，實現電能的網絡化。

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