時間：2023-05-05 08:53:54
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現代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現代電力電子技術的具體應用。
當前,電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發展
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,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和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一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計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入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做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到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-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數字化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992。
其具體包括以下幾方面的內容：第一，通過對電力電子技術的應用，已經將傳統發電機直流勵磁轉化為由中頻交流勵磁和電力電子整流相結合的方法，并且在推廣應用過程中取得了良好的效果，其運行的可靠性也得到了提高。第二，電力電子技術的應用有效地改變了水輪發電機的變頻勵磁。發電頻率取決于發電機的轉速，采用了電力電子技術后，將水輪發電機直流勵磁轉變為低頻交流變頻勵磁。當水流量減少時，提高勵磁頻率，可以把發電頻率補償到額定，延長水輪發電機的發電周期，解決水力發電中發電機工作時間受季節性水流量影響而導致的頻率無法調節、浪費較多水能的問題。這對大型水力發電設施來說，具有巨大的經濟效益。
2電力電子技術的未來發展趨勢
從近幾十年的發展歷程中我們可以看出，半導體的發明與應用有效地推動了電子技術的快速發展，其中晶閘管等電力半導體在這一過程中發揮了重要的作用。在進入20世紀70年代后，半控型晶閘管形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產品，被稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術理論研究和半導體制造工藝水平的不斷提高，先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自關斷全控型第二代電力電子器件。近期研制的以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件，開始向大容量高頻率、響應快、低損耗的方向發展，這又是一個飛躍。步入20世紀90年代后，電力電子技術得到突飛猛進的發展，與該技術有關的產品也得到進一步升級，大都朝著智能化、模塊化方向發展，逐步形成了電力電子技術的三步走模式及理論的研發，產品的研制、產品的應用，成為國際科研領域的新星，成為經濟社會發展的熱門行業。但是，就目前我國電力電子技術發展現狀來看，還不容樂觀，其中電力半導體器件的研發與應用同西方發達國家相比，還存在較大的差距，還比較落后，所以，如果在21世紀國際電力電子技術迅猛發展的背景下，我國半導體器件的落后狀態得不到改善，將直接影響我國國民經濟的快速發展，因此，對于我國電力電子技術的發展趨勢來說，仍然任重而道遠。
3結語
關鍵詞：電力電子技術；開關電源
現代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現代電力電子技術的具體應用。
當前,電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發展
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,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和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一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計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入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做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到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-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數字化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992。
電力電子技術課程內容量大、知識點多、既有理論分析又有實際電路應用。以我校自動化專業為例，采用王兆安老師主編的《電力電子技術》第五版教材，課程內容將涉及電力電子器件、電力電子電路（AC-DC整流電路、DC-AC逆變電路、DC-DC直流-直流變流電路、AC-AC交流-交流變流電路）及電路控制技術（PWM、軟開關），課時安排為56學時，其中8學時為實驗教學。在48學時的理論教學內容中，除緒論、習題課和總復習占4學時外，電力電子器件占4學時，電力電子電路占34學時，PWM控制與軟開關技術占6學時。由上可見，電力電子電路占理論教學學時的70%，但是該部分的實際教學內容非常多，以整流電路部分為例，將主要涉及到兩大類（單相整流、三相整流）、四小類（單相半波整流、單相橋式整流、三相半波整流、三相橋式整流）、三種負載（電阻性、阻感性、反電動勢）及多種電路變換形式（如帶續流二極管），其中每種電路還要分析不同觸發角（如30度、60度、90度、120度等）控制下的電路工作原理、電壓和電流波形圖（如負載直流電壓、負載直流電流、晶閘管承受電壓、晶閘管流過電流、交流電流等）、電量參數計算（如直流平均值、交流有效值）。如此復雜的電路教學過程，若僅靠傳統黑板板書及幻燈片教學模式進行講解，將不能在有限的課時時間內，既完成教學內容，又讓學生深入理解各種電路的工作過程，其結果是學生沒能抓住電力電子電路學習的根本，不具有分析和設計電力電子電路的能力。電力電子技術的仿真教學改革就是要改變上述由于教學內容多、課程內容復雜、課時分配少而帶來的教學和學習問題，其改革的內容就是在有效的教學時間內，通過仿真軟件搭建電力電子電路并進行仿真波形分析與工作原理講解的教學模式，該模式不僅能把教學基本內容講授清楚，同時能大大提高學生對課程教學重點與教學難點的理解和把握，達到事半功倍的效果。仿真教學改革中采用MATLAB仿真軟件，其中的電力系統模型庫包含電源模塊庫、電器元件模塊庫、電機模塊庫、電力電子元件模塊庫、連接件模塊庫、測量儀器模塊庫和其他電氣模塊庫。通過使用Simulink模塊庫組成電力電子控制電路，使用電力系統模塊庫組成電力電子主電路和驅動電路，可以較為容易的分析和設計更為復雜的電力電子電路，可以深入的研究和觀察電力電子電路的動態響應和穩態響應。
二、仿真教學過程實例分析
由于電力電子技術課程中的各種電路形式復雜多樣，因此以三相橋式全控整流電路為例，來說明電力電子技術的仿真教學過程。三相橋式全控整流電路在工業生產中具有重要位置，大量用于電解、電鍍、直流電機傳動、勵磁等場合，因此該電路是電力電子技術課程的重點內容。三相橋式全控整流電路為如上所述教材的3.2.2節內容，主要包括電路原理圖、電阻性負載、阻感性負載工作情況三部分內容。該節課程的知識目標定位于掌握三相橋式全控整流電路的組成、特點及應用，理解三相橋式全控整流電路的工作原理；能力目標定位于能夠根據電路圖搭建相應電路并進行測量，同時能夠根據任務要求開展相關實驗。該節課程的仿真教學過程中首先讓學生掌握電路結構，然后針對不同負載情況下，讓學生理解工作原理并學會波形分析及參數定量計算，最后結合“自動控制原理”及“電機學”課程相關內容，給出仿真實驗任務，目的讓學生逐步進入狀態，逐步掌握學習這門課的方法，下面給出仿真教學中需要注意的教學重點，其它教學部分可參考相應教材，這里不再贅述。
1.三相橋式全控整流電路結構該部分首先介紹三相橋式全控整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，它區別于單相整流與三相半波整流，具有功率大、直流脈動小等優點，同時采用幻燈片播放實際應用案例的形式，來增強學生對該部分內容的感性認識，并提高學生的學習興趣。其次，介紹該電路中包含六個晶閘管元件，是目前學習中器件最多的電路，需要學生們認真理解六個晶閘管器件的觸發工作過程。再次，采用MATLAB仿真軟件搭建三相橋式全控整流電路原理圖，如圖1所示。搭建的過程中，一定要強調以下幾點：①晶閘管器件編號務必為共陰極組內VT1、VT3、VT5，共陽極組內VT4、VT6、VT2；②晶閘管門極觸發脈沖順序務必為VT1-VT6；③晶閘管觸發脈沖相位間隔60度。
2.帶電阻性負載情況分析前面講解完三相橋式全控整流電路搭建后，真正進入到電路工作原理、波形分析及定量計算部分。進一步完善上面仿真電路原理圖，將負載選擇為電阻性負載，并增加若干示波器觀察點，其中三相電源設置為幅值100V、頻率50Hz，電阻負載2Ω，仿真參數設置為仿真起始時間0.0s，結束時間0.1s，算法選擇ode23tb。帶電阻性負載情況下的教學重點為：①不同觸發角下的波形分析；②負載電流的連續與斷續分析；③晶閘管的單觸發脈沖與雙觸發脈沖形式。其中難點內容為連續與斷續狀態下的脈沖形式。首先通過仿真詳細講解30度觸發角時的波形情況，要求學生在給定電源條件下能夠正確理解觸發脈沖、直流負載電壓、直流負載電流、晶閘管承受電壓和交流電源電流的波形。講授過程中需要注意：①觸發角的觸發時刻，由于三相整流電路的自然換相點對應A相電壓波形的30度位置，因此30度觸發角情況下的晶閘管VT1觸發時刻為60度位置，換算成時間為0.0033s；②將整個電源周期分成6段，每段先確定6個晶閘管的導通與關斷狀態，再分析其他電量；③特別注意強調線電壓波形及波形畫法。然后，利用仿真教學的優勢進一步講解如上教學重點要求，如圖3所示為60度和90度觸發角下的晶閘管觸發脈沖情況和直流輸出電壓波形情況。圖中可以清楚的看到60度觸發角為負載電壓和電流連續與斷續的臨界點，90度觸發角時清楚的看到負載電流為斷續狀態，同時各個觸發脈沖為保證電流斷續下正常工作而變成雙觸發脈沖形式。為了讓學生能夠更深入的理解電阻性負載時的工作情況，在仿真教學過程中，可以采取更小的脈沖角度間隔對多個觸發角進行多次仿真，這樣更能深入理解隨著觸發角的增加，直流負載電壓不斷降低的過程。
3.帶阻感性負載情況分析當三相橋式全控整流電路帶阻感性負載工作時，其特點就是能保證負載電流續流而不出現斷續的狀態，因此該部分的教學重點為：①讓學生能夠清楚的理解整個移相范圍內負載電流總是連續的工作狀態；②由于電感的作用，負載電壓會出現負的部分；③大電感狀態下，負載電流近似為一條直線。圖4為觸發角為90度時三相橋式全控整流電路的波形情況，與圖3中觸發角為90度情況進行對比，可以清楚的看出阻感性負載時的直流負載電壓波形既有正向波形，又有負向波形，負載電流波形始終處于連續狀態，同時還可以通過仿真教學清楚的展示電感為5mH和200mH時的直流電流波形，其中5mH時電流波形脈動較大，而200mH時電流波形脈動較小，近似為一條直線，這也充分說明當電感值為200mH時，感抗相對于阻抗來說充分大。
4.仿真實驗任務：直流電機閉環調速系統完成如上規定的仿真教學任務后，可以給學生布置相應的仿真實驗任務，結合直流電機原理和閉環控制原理，安排直流電機閉環調速系統的仿真實驗，可以安排在實驗課中完成或課后自行完成。仿真實驗任務如下：（1）仿真參數設置：仿真起始時間0.0s，結束時間5s，算法選擇ode23tb。（2）系統要求跟蹤恒值速度給定500r/min。（3）轉速調節器設定為比例控制，要求分析不同負載轉矩、不同轉速比例調節下的電機電壓、電流和轉速波形。這里給出用于教學參考的系統仿真結構圖及電機電壓和電流波形，如圖5和圖6所示。由于直流電機為阻感性負載，因此通過仿真實驗可以更深入的認識阻感性負載下的三相橋式全控整流電路的工作過程，直流負載電壓即電機供電電壓有正負波形，直流負載電流即電機電樞電流為連續狀態且近似為一條直線，轉速波形由學生在仿真實驗中自行觀察。
三、結論
論文摘要：電力電子技術正在不斷發展，新材料、新結構器件的陸續誕生，計算機技術的進步為現代控制技術的實際應用提供了有力的支持，在各行各業中的應用越來越廣泛。電力電子技術在電力系統中的應用研究與實際工程也取得了可喜成績。
1前言
電力電子技術是一個以功率半導體器件、電路技術、計算機技術、現代控制技術為支撐的技術平臺。經過50年的發展歷程，它在傳統產業設備發行、電能質量控制、新能源開發和民用產品等方面得到了越來越廣泛的應用。最成功地應用于電力系統的大功率電力電子技術是直流輸電（HVDC）。自20世紀80年代，柔流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術在電力系統中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現。本文介紹了電力電子技術在發電環節中、輸電環節中、在配電環節中的應用和節能環節的運用。
2電力電子技術的應用
自20世紀80年代，柔流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術在電力系統中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現。已有不少文獻介紹和總結了相關設備的基本原理和應用現狀。以下按照電力系統的發電、輸電和配電以及節電環節，列舉電力電子技術的應用研究和現狀。
2.1在發電環節中的應用
電力系統的發電環節涉及發電機組的多種設備，電力電子技術的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。
2.1.1大型發電機的靜止勵磁控制
靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式，具有結構簡單、可靠性高及造價低等優點，被世界各大電力系統廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環節，因而具有其特有的快速性調節，給先進的控制規律提供了充分發揮作用并產生良好控制效果的有利條件。
2.1.2水力、風力發電機的變速恒頻勵磁
水力發電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當水頭的變化幅度較大時（尤其是抽水蓄能機組），機組的最佳轉速變隨之發生變化。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轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過調整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。
2.1.3發電廠風機水泵的變頻調速
發電廠的廠用電率平均為8%，風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%，且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實施風機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟，國內外有眾多的生產廠家，并不完整的系列產品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產能力的企業不多，國內有不少院校和企業正抓緊聯合開發。
2.2在輸電環節中的應用
電力電子器件應用于高壓輸電系統被稱為“硅片引起的第”，大幅度改善了電力網的穩定運行特性。
2.2.1直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDCLight）技術
直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯網，高壓直流輸電擁有獨特的優勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器，標志著電力電子技術正式應用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。
2.2.2柔流輸電（FACTS）技術
FACTS技術的概念問世于20世紀80年代后期，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，可實現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統的穩定水平。
20世紀90年代以來，國外在研究開發的基礎上開始將FACTS技術用于實際電力系統工程。其輸出無功的大小，設備結構簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應用。2.3在配電環節中的應用
配電系統迫切需要解決的問題是如何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、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態的波動和干擾。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（CustomPower）技術或稱DFACTS技術，是在FACTS各項成熟技術的基礎上發展起來的電能質量控制新技術?？梢詫FACTS設備理解為FACTS設備的縮小版，其原理、結構均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場介入相對容易，開發投入和生產成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預期DFACTS設備產品將進入快速發展期。
2.4在節能環節的運用
2.4.1變負荷電動機調速運行
電動機本身挖掘節電潛力只是節電的一個方面，通過變負荷電動機的調速技術節電又是另一個方面，只有將二者結合起來，電動機節電方較完善。目前，交流調速在冶金、礦山等部門及社會生活中得到了廣泛的應用。首先是風機、泵類等變負荷機械中采用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量和水流量具有顯著的效果。國外變負荷的風機、水泵大多采用了交流調速，我國正在推廣應用中。
變頻調速的優點是調速范圍廣，精度高，效率高，能實現連續無級調速。在調速過程中轉差損耗小，定子、轉子的銅耗也不大，節電率一般可達30%左右。其缺點主要為：成本高，產生高次諧波污染電網。
2.4.2減少無功損耗，提高功率因數
在電氣設備中，變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載，這些設備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質量不可缺少的部分。在電力系統中應保持無功平衡，否則，將會使系統電壓降低，設備破壞，功率因數下降，嚴懲時會引起電壓崩潰，系統解裂，造成大面積停電事故。所以，當電力網或電氣設備無功容量不足時，應增裝無功補償設備，提高設備功率因數。
1修改人才培養方案人才培養方案制定得是否合理，關系到本專業的生存和發展。隨著現代科學技術的迅猛發展，電類的各專業的界線越來越模糊，各學科相互交叉、相互滲透，電氣專業傳統的“發電、輸電、用電”知識結構已經不能滿足當今人才培養要求。因此，對人才培養方案和教學計劃要進行適當的修改和調整。由于電氣工程及其自動化專業是一個強電和弱電相結合的寬口徑專業，而電力電子技術是諸多學科相互交集的學科，是由基礎課到專業課過渡的橋梁和紐帶，是強電和弱電的有機結合。因此，在修改和調整人才培養方案和教學計劃時，要體現出電氣專業的“以強電為主、弱電為輔、強弱協調”的主導思想，加大教學力度，要意識到“電力電子技術”課程在電氣工程及其自動化專業教學中重要性和必要性，以拓寬學生的知識面，提高學生的工程實踐能力和創新能力以及擴大學生畢業后的就業面。
2教材內容的合理取舍任課教師要選擇一本合適的電力電子技術課程教材作為主教材，再參考其他的輔助教材，取長補短，主講教師應具有寬闊的知識面及豐富的電力電子工程實踐經驗，注重應用型人才培養目標。教材的內容既有豐富的理論知識，還要注重工程實際的應用，要體現電力電子技術發展的新技術，也要體現出“電力電子技術”課程是基礎課到專業課平穩過渡的橋梁，使教材內容更符合二本院校電氣工程及其自動化專業的人才培養的要求。主教材中除重點講授交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流四大類基本變流電路及它們的組合之外，還要聯系當今電力電子技術的發展趨勢及應用情況，注重電力電子技術在電力系統及其他工程領域中的應用，注重主電路設計、驅動電路設計、保護電路設計、參數計算及元器件選擇，還應該適當介紹SVC、SVG、高壓直流輸電、開關電源、UPS電源、感應加熱電源、光伏逆變器等裝置的工作原理和實際應用情況，以適應電氣工程及其自動化專業寬口徑就業要求。
3課堂教學方式改革教學過程中應以學生為主，教師為輔，避免一人堂和填鴨式教學方法，針對教學內容和學生的具體情況組織安排教學內容。由于“電力電子技術”課程的教學內容繁多，課堂教學中需要繪制大量的電路圖和波形圖，以及諸多公式推導及各種參數計算等。由于課程學時少而教學內容又多,僅僅依靠傳統的黑板加粉筆的教學方式顯然是達不到教學效果的，所以多媒體技術逐漸走進了“電力電子技術”的課堂教學，大大地提高了課堂教學效果。這里需要強調的是，多媒體教學的引進并非完全取消黑板加粉筆的課堂教學方式，二者應該相互協調、相輔相成，各有各的長處。對于復雜的電路及波形的繪制和分析，可以充分利用多媒體的音容并茂的特點，使學生更容易理解和掌握電路的基本原理和工作過程，如以flas的方式顯示電力電子器件的開通和關斷過程、過電流和過電壓的產生過程、電路的輸入輸出電壓和電流波形等，使學生感到生動而有趣，使學生的課堂學習不再枯燥無味；而對于簡單電路的分析以及例題習題的講解，還是黑板加粉筆的方式顯得更簡單便捷，更具親和力，加強了教師與學生間的互動和情感交流?？傊n堂教學十分重要，教師要根據自身的特點、教學內容、學生的素質，充分利用現代化教學手段及互聯網資源，在有限的課堂教學時間內，最大程度地使學生理解和吸收所學的知識。
4改革實驗教學環節為了提高學生的工程實踐能力，對原有的電力電子實驗室設備進行了更新和改造，引進近幾年內較為先進的電力電子實驗設備，對原有的驗內容和實驗計劃進行了修改和調整，盡量減少簡單的驗證性實驗，增大設計性和綜合性實驗的比例，根據專業的特點和理論教學情況組織實驗教學。我院現有的電力電子綜合實驗室可開出多種實驗，囊括了AC/DC、DC/AC/、AC/AC、DC/DC四大電力變換所需的實驗，如整流及有源逆變實驗、交流調壓及交流調功實驗、直流斬波實驗、無源逆變變實驗等。為了培養學生的科技創新意識，還增設了開放性實驗和創新性實驗，加強了教師與學生間的知識交流，也使電力電子課程的實驗教學延伸到課外，對教學時間的不足起了一定程度的彌補作用；同時，在我院的大學生電子挑戰杯大賽中，部分學生的競賽題目與電力電子技術有關，提高了學生的電力電子技能。另外，我院每個學期舉行教師實踐技能大賽，有相當一部分競賽題目與電力電子技術有關，大大提高了教師的電力電子技術實踐能力和實驗教學水平。
5將Matlab仿真軟件引進課堂教學和實驗教學Matlab仿真軟件是各院校普遍開出的課程，將Matlab仿真軟件與電力電子技術課程相結合，在課堂上，利用Matlab仿真軟豐富友好的圖形界面，使學生更直觀地掌握所學的知識，也避免了教師畫電路圖、波形圖的繁瑣及時間的浪費；將Matlab仿真軟件與電力電子技術課程實驗相結合，是原有的實驗操作的有益補充，同時又具備原有實驗裝置不具備的優點，如解決設備費用高、實驗所花時間長、危險性大的缺點。而利用仿真教學工具代替實際元件在計算機上進行仿真，既不擔心元器件損壞，也沒有任何危險，學生完全可以在無人指導的情況下，在任何地點的計算機上自行完成電力電子電路的仿真實驗，在此基礎上再進行適當的真實性實驗，這樣不僅激發了學生的學習興趣，更重要的是提高了學生發現問題、解決問題和實際動手的能力，會收到事半功倍的實訓效果。
6課程設計環節的改革“電力電子技術”課程教學改革后，在課程教學的后期,增加了課程設計環節，由主講教師布置該課程的設計任務,為避免雷同，每人一題，主要以電力電子技術的四大電力變換為核心，結合工程實際，根據給出的技術參數和技術指標，要求學生綜合運用所學的相關知識,設計出總體方案、主電路圖、驅動電路、保護電路等，并進行相關參數計算及元器件選擇。較簡單的題目，要求制作電路板和元器件焊接，并使用實驗室的儀器和工具進行調試；較復雜的題目要求用實驗室的實驗設備驗證或進行matlab仿真，最終以論文的形式完成課程設計，并進行課程設計答辯。課程設計環節的增加，拓寬了學生的知識面，提高了學生獨立分析問題、解決問題的能力，是理論與實踐相結合的有益補充，同時為后期的畢業設計、就業及將來打下基礎。
7畢業設計環節的改革為了提高電氣專業學生的電力電子技術理論知識和工程實踐能力，近幾年來，在電氣工程及其自動化專業畢業實習過程中，除了到發電廠、變電所參觀實習外，有相當一部分學生到電力電子裝置的廠家實習；有時也請電力電子產品的專家學者做專題報告。在畢業設計選題方面，除了發電廠、變電所、繼電保護、電氣照明等傳統設計題目外，許多教師在本科畢業設計中也增加了許多有關電力電子技術方面的設計課目，如感應加熱電源、大功率開關電源、UPS電源、光伏逆變并網系統、SVC、SVG、高壓直流輸電等方面的題目。有些設計題目還獲得了省級或校級優秀學士學位論文。
二、結束語
“電力電子技術”課程教學的基本框架還是以所選教材為基礎，但在具體內容上應當以讓學生認識該課程的用途與重要性為出發點進行設計，緊扣行業應用，提高學生的學習積極性與主動性。首先，注意開好頭，要重視緒論課的教學，如在介紹“1.3電力電子技術的應用”時應將重點側重到交通運輸和電子這一領域中，重點介紹電力電子技術在汽車與軌道車輛上的應用。針對新能源汽車專業學生可舉例介紹車輛能源系統的“骨架結構”，如油電混合動力汽車等新能源汽車的能量系統的基本結構圖與基本工作原理；針對城市軌道車輛專業學生介紹地鐵車輛的電源系統結構圖等等，緊緊抓住行業應用為起始點引發學生的興趣。另外針對電子裝置用電源可從大家時刻不離身的手機充電器說起，讓學生認識到電力電子技術無處不在，實用性很強，提高學生積極性。其次，隨著課程內容教學的深入，應繼續圍繞專業行業應用，將原來的“骨架結構”補充上“血肉”，即實際具體電路，進行內容的豐富。如介紹DC/DC變換時，可以將原先介紹的地鐵車輛電源系統中DC/DC的變流電路具體化，在知識認知的體系結構中進一步具體化，加深知識點的理解和印象。最后為提高學生對電力電子技術的關注度，提高學生資料收集與自學能力，一方面對部分內容調整為課后自學內容，要求學生利用網絡、圖書館等資源條件完成學習，如器件中IGCT、功率集成電路、脈寬調節電路等的相關內容將由學生進行資料收集并選擇部分主題由學生在課堂上給大家進行介紹，提高學習的相關性。另外一方面提供一些已經完成的電源板，讓有興趣的同學進行實際調試，在實踐中體會電能的變換與控制，實現“自主行走”。這些同學能在今后相關的實踐設計中有較好的基礎，且能幫助并帶動其他同學提高實踐能力。
2“電力電子技術”課程設計改革
“電力電子技術”課程應用性強，因此要求學生有較強的動手實踐能力。課程開設了6個學時的實驗，對學生來說實踐時間較少。因此率先在車輛工程專業新能源汽車專業方向開設了“汽車電力電子技術課程設計”課題，時間為一周，精選了“太陽能電動車SPWM控制逆變電路設計”、“車載逆變電源—推挽式直流變換電路設計”、“車載逆變電源—工頻逆變電路設計”等設計課題，要求學生通過課程設計能充分了解電力電子技術在汽車上的應用以及應用設計，要求學生“腳踏實地”進行電路方案論證比較，完成電力電子電路的參數計算、器件的選型、繪制電路原理圖等過程，掌握電力電子電路的設計，并能夠掌握電力電子器件常用的驅動電路設計，合理設計保護電路。同時對于電路原理圖要求采用EDA（電子設計自動化，ElectronicDesignAu-tomation）軟件進行繪圖，將學生所學的電力電子技術、自動控制技術、EDA技術等幾門課程在汽車電力電子技術課程設計中進行融合，提高學生的實際設計能力。對multisim實踐能力較強、學有余力的同學進一步指導其采用仿真手段（Matlab或者Multisim）進行仿真實習，論證設計結果。通過緊張而充實的課程設計，大部分的同學對電力電子技術在汽車上的應用有了進一步的認識，并對所學的相關課程進行貫通融合，充分了解所學專業課程之間的相互聯系，增強了對自身所學專業知識架構的認識，能夠熟練利用相關課程、相關技術手段進行電路設計，實現在專業知識架構中的“自由天地”。
3總結
1.“1循環互輔”實踐教學方法
“循環互輔”實踐教學方法建立在“建構主義的學習觀”的基礎上，建構主義的學習觀認為：知識不能簡單地通過教師傳授得到，而是每個學生在一定的情境下通過自主探索、小組協作等學習方式，達到對所學知識意義的主動建構。傳統的電力電子技術實踐教學，學生的自主學習能力沒有得到有效培養。因此，探索新的實踐教學方法具有十分重要的意義?！把h互輔”即老師分項目分別輔導N個學生，然后由學生分項目相互循環輔導。“循環互輔”實踐教學方法主要分以下步驟進行：
1)調整優化教學內容，教師在授課前對教學內容要認真篩選，注意課程體系的前后銜接，理論夠用原則，降低理論的難度，以應用為主線，精心選擇N個教學項目。
2)根據學生的興趣特點和基礎，由學生自主選擇自己負責的項目，選擇同一項目的同學為一組，把全班同學分成N組。針對每個項目，教師輔導負責該項目的一組學生。
3)經教師培訓后的項目負責人指導其他同學完成該項目，教師監控各個項目的完成情況，及時解決項目負責人無法解決的問題，保證項目順利進行。實踐教學過程中，教師多采用啟發式進行指導，主要是多引導，多啟發，提出分析問題的方法，指出解決問題的途徑，讓學生通過獨立思考和小組合作，找出解決問題的具體方案，并在實踐中加以檢驗，提高學生分析問題和解決問題的能力。
4)為了保證“循環互輔”實踐教學方法順利進行，需要改革原有的課程考核評價方式，課程評價主體和評價內容應多元化，評價方式應多樣化，可構建“教師評價、學生自評、學生互評”相結合的評價機制。在學生考核評價中，應全面客觀地反映學生的真實情況，重點考核與評價學生的職業技能和職業素質，對學生的學習態度、學習能力、溝通與合作能力、創新精神等進行全面考察。堅持過程性評價和結果性評價相結合，過程性評價是在學生自主學習過程中對學生的學習態度、日常表現等各方面情況進行的評價，結果性評價是學生學習完成后對學生整體技能情況的評價。
1.2“循環互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的具體應用
下面從教學項目的選取和實踐教學過程的實施兩個方面探討“循環互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的具體應用。
1)隨著電力電子新器件的不斷涌現以及各種變流電路的不斷發展，電力電子技術課程的教學內容日益增長，在學時有限的情況下，以電力電子技術應用最廣泛的實際案例為載體，設計了以下六個項目作為教學內容：
(1)單相半波整流調光燈電路；
(2)單相橋式全控整流調光燈電路；
(3)單相交流調壓調光燈電路；
(4)同步電機勵磁電源電路；
(5)開關電源電路；
(6)中頻感應加熱電源電路。
2)根據學生的興趣特點和基礎，由學生自主選擇自己負責的項目，選擇同一項目的同學為一組，把全班同學分成6組。以單相半波整流調光燈電路為例，教師負責輔導選擇該項目的7-8個學生。再由這些學生負責指導班上其余同學完成該項目。教師監控各個項目的完成情況，及時糾正錯誤。
3)循環互輔實踐教學方法，不僅要求學生自己學會，還要教會別人。這就要求學生對自己選擇的項目需要進行大量的準備工作。教師利用大學城空間，建設電力電子技術空間資源課程，包括多媒體課件、參考教材、各種變換電路的仿真模型及仿真參數設置實例，實驗指導、各章習題及其學習指導等。學生進入教師空間后，可自主開展學習，通過發表評論在線分享學習心得，通過電力電子技術交流群組與教師、同學進行在線交流?！把h互輔”實踐教學方法在電力電子技術課程中的應用實踐表明：
(1)實踐教學過程中，由于每位同學都得到了充分有效指導，因此故障率、儀器設備損壞率降低了。
(2)該方法最大限度地調動了學生學習的積極性和主動性，發展每一個學生的優勢潛能，有效培養了學生自主學習和分析問題解決問題的能力，取得了較好的教學效果。
2結束語
