电源及电源变换技术的发展与应用研究.doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电源及电源变换技术的发展与应用研究【精品文档】第 7 页电源及电源变换技术的发展与应用研究作者：张芬董浩斌来源：中国新技术新产品2009年第07期摘要：全球的节能需求以及便携装置小型化功能的趋势推动着电源与电源变换技术朝着绿化和数字化的方向发展。本文介绍了电源与电源变换技术的基本内容及其数字化的发展趋势，详细分析了其主要研究内容与应用前景，分析了逆变系统的基本结构，并简要描述了逆变技术在交流电动机变频调速和太阳能发电系统中的应用。关键词：电源;电源变换;发展;应用随着现代仪器设备及微电子技术的迅速发展，相继出现了相控型稳压电源、集成化线性稳压电源、新型智

2、能开关电源、UPS电源、太阳能电源和程控电源等，人们对电源的要求越来越高。同时，全球的节能需求和电子设备必须遵守的强制性能效规范要求，以及便携装置小型化功能趋势推动着电源朝着高电源效率、低待机功耗、高功率密度、高可靠性、高集成度和低成本的方向发展1。因此，从经济角度和科学研究角度上看，研究电源变换技术和控制技术都是很有价值的。1电源与电源变换的类型供电电源总体上分为交流电源和直流电源两大类。蓄电池属于直流电源，既可作为直流电源系统备用电源，又可作为启动动力电源，还可作为交流配电设备操作电源。由于供电电源不总是能直接满足用电设备的需求，这样就需要一个中间环节将供电电源转变成用电设备需要的电源，这

3、个环节就是电源变换。目前发达国家的电源80%以上是通过变换后才应用的2。电源变换有以下四种类型：DC-DC变换，它将一种直流电能变换成另一种直流电能；DC-AC变换，它将直流电能变换为交流电能，这种变流装置称为逆变器；AC-DC变换，它将交流电能变换为直流电能；AC-AC变换，它将一种交流电能变换为另一种交流电能。2 电源与电源技术的现状2.1 国内外电源的发展国外电源的发展大致经历了4代：第一代为直流电机电源，耗能大、效率低；第二代为自藕+硅整流式直流电源，使用自藕变压器调节输入电压，再由大功率硅整流管整流，效率较低、精度、纹波等技术指标差；第三代为可控硅电源，效率较高、功率范围宽，是目前广

4、泛使用的电源；第四代为开关型直流电源，体积小，精度、纹波系数高、可靠性高，是未来直流电机驱动和电镀电解行业的主体电源3。我国的电源产业起步于1949年，历经几个发展阶段，已经发展到各行各业，如机械、邮电、铁路、电子、军工系统等都有电源开发与生产，还有大量国外产品公司进入我国，竞争逐步加剧4。随着电子技术的发展，电子设备已由原来的静止独立系统发展为便携式综合系统。作为电子设备必不可少的供电电源部分，也由集中式供电方式发展为分布式供电方式，向着高效化，小型化，数字化，绿化等方向发展。2.2 电源技术的现状当前在电源产业与电源相关的技术有：高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关

5、变换技术、同步整流技术、高度智能化技术，以及诸多的电磁兼容相关技术、各种形式的功率因数校正技术、各种保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、各种变频调速技术、各种智能监测技术、各种智能化充电技术、微机控制技术、各种集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术等4。在PWM（DC/DC）转换方面，能够提高有源模式效率的软开关和谐振模式拓扑正越来越受欢迎。PWM开关电源按硬开关模式工作，但开关损耗大。为此，必须研究零电压开关(ZVS)零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术。软开关逆变技术研究的重要目的之一是实现PWM软开关技术，使它既能保持原来的优点，又能实现软开关工作。小功率软开

6、关电源的效率可提高到80%85%，我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中，效率达93。ZVS适合用于全桥主电路的控制，与传统的全桥移相控制相比，此法用较少引脚封装，降低了系统的复杂性，不但具有同样的转换效率，而且能改善过流和轻载性。3 研究的内容和前景电子设备都是根据需要而发展的，由电源的发展趋势得出电源技术研究内容的主体是如何使电源设备小型化、高效率、低成本和绿化。这也是电源与电源技术的发展趋势，但这些趋势并非是彼此独立不相干的，因为各个因素之间存在着权衡取舍。数字电源控制技术的出现使更高功率密度和更高可靠性的实现成为可能。以下是对电源和电源技术研究的内容作简单的分析。3.1 电源需具

7、备一定的电源管理功能电源管理器件是在便携电子设备多样化过程中，使电池工作时间尽量延长的一种器件。它在节电方面发挥巨大作用，正在走高性能、高集成、小型化的道路1。随着技术进一步发展，电源将不再孤立存在，由于相同系统上各不同负载间的通信需求，需要把微控制器整合到电源中以便通信，并提供部分电源的管理。3.2 电源的节能和绿化要求随着不可再生能源不断减少，节约能源及环保日益为人们所重视。自20世纪70年代以来，许多国家开展了新型可再生能源的研究、开发和利用工作，推动新能源的快速发展已经成为当务之急。近几年发展的新能源有：太阳能光伏电池，风能发电和燃料电池。燃料电池目前已发展成为固定式的燃料电池和专用的

8、汽车用燃料电池，其特点是变换效率高，对环境的污染几乎为零，体积小，可以在任何时候和地方方便地使用2。电源是节约能源的重要环节，逆变技术在节约能源的同时还能改善和提高抗电磁干扰的能力，减少谐波的污染。随着高性能的DSP控制器的出现，逆变电源的全数字控制成为现实。3.3 便携和野外勘探领域野外勘探设备的供电电源的功率与输出电流的精度对探测结果的精度与分辨率有很大的关系。同时，由于其应用领域的特殊性，很多时候都是用蓄电池供电，需要电源具备较高的效率，低损耗，并且工作时间尽可能长，携带方便等。因此有必要安装电源变换器将单组或多组蓄电池变换成仪器需要的直流电源，并且要求这种电源体积小、质量小、又有高的转

9、换效率。与此同时，便携式电子产品的数量越来越多，尺寸越来越小，发射功率越来越大，灵敏度越来越高，接受微弱信号的能力越来越强，要求电源更加灵活多样。便携式电子设备的小型化和低成本化使得电源以轻、薄、小和高效率为发展方向，而便携式电子设备电源的模块化、智能化已是当今电源技术的主流发展趋势。3.4 数字电源技术数字电源具有四个主要特征：可编程性，监控性能的可知性，响应性和数字环路控制。采用数字电源控制技术的电源没有调谐环路元件，可避免故障和误调；有较宽的稳定工作范围；部件重复性更好；有较好的自诊断能力。传统的模拟电路控制存在电路复杂、调试困难、元器件易老化、输出性能低等缺点。为了克服这些弊端，发展了

10、各种现代电源技术，包括开关电源，UPS电源，净化电源等。如今，电子设备配置的电源，正从升降电压的变压器转向开关电源、DC-DC变换器和变流器等。以电池作为电源的便携电子设备，则常会用到DC-DC变换器。作为下一代电源，采用DSP控制的数字电源已开发成功，进入产品化阶段。采用DSP作为逆变器的控制核心，集成度高、抗干扰能力强，可以用软件很容易地实现灵活、准确的在线控制与全部故障检测，便于实时控制。4 电源技术的典型应用电源变换包括两个技术方向：一是交流电源转换为直流电源的技术；二是直流电源转换为交流电源的技术，其变换装置被称为逆变器。由于交流电源的各种优点，使它成为绝大多数用电设备的统一用电形式

11、。因此，电源变换技术主要是指将直流电源转换为交流电源的逆变技术，使各种不同形式的电能适应于要求使用统一电源电压的各种用电设备，以及用于并网传输与灵活分配电源。现今逆变电源有偏电压脉冲电压、周期间断或周期换向电流、交直流迭加等非常规直流电源；常用的特殊电源波形有：直流单向脉冲、交流迭加直流、间断电等，用的最广泛的为直流单向脉冲技术，即IGBT逆变电源。4.1 逆变系统的基本结构逆变电路中，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电源、输入电路、输出电路等等，如图1所示。下面简单介绍各个部分：输入电路。逆变主电路输入为直流电，根据所输入的电流的特点，输入电路包括整流电路，滤波电路和EMI对

12、策电路。输出电路。输出电路一般都包括输出滤波电路和EMI对策电路，对直流输出的逆变系统还包括输出整流电路。对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆变变压器。对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，而对于闭环控制逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。控制电路。控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的一导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变功能。包括数字PID控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制、神经网络控制等等，现在用得最多的是SPWM控制技术，即对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所

13、需要的波形。辅助电源和保护电路。辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。若是直流输入，则采用DC/DC变换器；若是交流输入，则可以采用工频降压、整流、线性稳压的方式。保护电路主要包括：输入过压、欠压保护；输出过压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护。逆变主电路。逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的，逆变焊接电源、通信基础开关电源、UPS、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还应包括逆变变压器。非隔离式电压变换电路形式有多种，是组成逆变主电路的基本形式，用它们也可以组成各种隔离式

14、逆变主电路。4.2 逆变技术在交流电动机变频调速中的应用变频调速技术在机床、风机、机车牵引、电梯、空调的控制等场合有广泛的应用，运用逆变技术将市电变换成电压和频率均可调的交流电，进而对交流电动机进行调速。交流电动机变频调速系统的结构框图如图2所示。4.3 逆变技术在太阳能发电系统中的应用随着石油、煤、和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源的关键技术-逆变技术能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。如图3是太阳能发电系统的结构框图。5 结语由电源技术的发展

15、可以看出，市场需求推动了技术的发展。电源广泛应用于各行业，并继续朝高频、高效、高密度化、低压、大电流化、多元化技术和绿化等方向发展。电源变换技术的数字化研究不仅具有广阔的发展前景，而且具有现实的应用意义。无论是其学术价值还是其市场地位和经济效益都将是巨大的，值得我们去研究开发。参考文献1电源与电源管理技术发展趋势访谈录. 电源与电源管理技术专刊, 2007: 28.2赵建统, 薛红兵,梁树坤.浅谈电源产业及电源技术的发展趋势J.电源世界, 2007(2): 36.3廖晓科.逆变电源研究热点及发展J.微电机,2008(07).4李伟. 数字控制逆变电源的研究与实现D.武汉理工大学,2007.陶桓齐.电源变换数字化技术的研究J.武汉科技学院学报, 2008(04).曲学基.逆变技术基础与应用M.北京: 电子工业出版社,2007.作者简介：张芬（1983-），女，湖北省汉川市人，中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院在读硕士研究生，主要研究方向为智能仪器设计，现从事逆变技术在电法仪中的应用研究。董浩斌(1964-)，男，博士，教授，地球物理及智能化仪器专业，主要从事地学、工控等智能化仪器仪表的研究开发、信号处理等研究和教学工作。