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現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)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(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)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(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1、整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)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(nèi)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(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?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(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時國內(nèi)曾經(jīng)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(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。
2、逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)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(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
3、變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)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(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
二、電力電子技術(shù)的應(yīng)用
1、一般工業(yè)
工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動機。直流電動機有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源或直流斬波電源都是電力電子裝置。近年來，由于電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，使得交流電機的調(diào)速性能可與直流電機相媲美，交流調(diào)速技術(shù)大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。大至數(shù)千kW的各種軋鋼機，小到幾百W的數(shù)控機床的伺服電機，以及礦山牽引等場合都廣泛采用電力電子交直流調(diào)速技術(shù)。一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。還有些不調(diào)速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻、中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。
2、交通運輸
電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。飛機、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術(shù)。如果把電梯也算做交通運輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，而近年來交流變頻調(diào)速已成為主流。3、電力系統(tǒng)
電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。可以毫不夸張地說，如果離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年發(fā)展起來的柔流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。無功補償和諧波抑制對電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）都是重要的無功補償裝置。近年來出現(xiàn)的靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無功功率和諧波補償?shù)男阅堋Ｔ谂潆娋W(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。
在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。
4、電子裝置用電源
各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線性電源。因為各種信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說信息電子技術(shù)離不開電力電子技術(shù)。
5、家用電器
照明在家用電器中占有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，它正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。變頻空調(diào)器是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子。電視機、音響設(shè)備、家用計算機等電子設(shè)備的電源部分也都需要電力電子技術(shù)。此外，有些洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)廣泛用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。
現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交又技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。
當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)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(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)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(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)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(nèi)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(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?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(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時國內(nèi)曾經(jīng)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(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)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(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)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(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)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(guān)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(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)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(wǎng)變換成標(biāo)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(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)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(shè)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)被廣泛應(yīng)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(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)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(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)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(tǒng)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(jīng)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(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)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(shù)的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠(yuǎn)程維護和遠(yuǎn)程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)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(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)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(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預(yù)計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)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(dāng)今焊機電源的發(fā)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(yīng)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(jīng)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(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)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(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)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(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設(shè)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(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l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(fù)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(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號為電壓環(huán)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(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術(shù)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(jié)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(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),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(guān)電源系統(tǒng)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(xué)界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)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(yīng)加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),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(jié)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(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)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(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)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(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"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(jù)這一原理進行改造,成為"開關(guān)變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)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(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術(shù)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(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)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(shè)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(yán)重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)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(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機械方面的設(shè)計,達到優(yōu)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(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)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(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)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(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時間。3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)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(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計來說,模擬技術(shù)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(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識,但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)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(shù)的方法。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關(guān)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(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻：
1.2為課程群建設(shè)、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的進一步探索研究奠定基礎(chǔ)電力電子技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門由現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機工程、微電子技術(shù)多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。通過課程改革，為電力電子技術(shù)精品課程建設(shè)、課程群建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。此外，通過課程改革，探索適用于我校的電類專業(yè)卓越工程師特色培養(yǎng)模式，并促進教科研和企業(yè)項目合作與承接等工作的深入開展。
2教學(xué)改革方案的實施與主要特色
為努力改變該課程原有的難教難學(xué)的狀況，教學(xué)改革方案從以下幾個方面實施：
2.1重新編排教學(xué)內(nèi)容，突出課程實用性和趣味性改變傳統(tǒng)教學(xué)中對四大變流電路孤立、單一的學(xué)習(xí)模式，引入生活中常見電路以及電子小制作的實例，通過一系列具體電路系統(tǒng)設(shè)計過程的演示，將《模擬電路》、《電機與電氣》等前期專業(yè)課程的知識與《電力電子技術(shù)》所學(xué)理論知識相聯(lián)系，展現(xiàn)課程強弱電結(jié)合、多學(xué)科融合的特點。并且，在保證理論基礎(chǔ)扎實前提下，增加日常電路分析和設(shè)計實踐環(huán)節(jié)在整個教學(xué)過程中所占比重，以實例激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，以興趣帶動能力培養(yǎng)，在這一過程中培養(yǎng)學(xué)生的讀圖、分析、畫圖、簡單電源電路設(shè)計等能力，實現(xiàn)理論與應(yīng)用相輔相成、有機結(jié)合，最終提升學(xué)生工程應(yīng)用方面的綜合素質(zhì)。
2.2采用引導(dǎo)型教學(xué)方式，注重教學(xué)過程中的互動性和學(xué)生分析解決問題能力的培養(yǎng)授課過程中注意開展互動，通過采用提出啟發(fā)性問題—共同討論—獲得結(jié)論—實驗驗證的方法，在教師“教”與學(xué)生“學(xué)”的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題和新的突破點，將學(xué)生被動接受知識的過程轉(zhuǎn)化為其不斷解決問題的過程，使學(xué)生主動學(xué)習(xí)、開放思維，并在此過程中加深相關(guān)理論的理解，訓(xùn)練其分析和解決問題的能力。
2.3充分發(fā)揮多媒體教學(xué)優(yōu)勢，改變理論教學(xué)抽象、刻板的現(xiàn)狀電力電子技術(shù)重視對電路波形的分析。課程原有的單一的板書或簡單PPT課件加板書的傳統(tǒng)授課形式課堂信息量較少，不夠直觀，不能解決學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，接收效果較差等問題。利用PowerPoint、Flash、視頻等多媒體手段，不僅能使波形分析更為直觀，還能方便地展示電路在不同條件下的工作狀態(tài)，以及課程內(nèi)容在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。既可使教學(xué)內(nèi)容更加豐富，還使分析過程不再枯燥抽象，分析結(jié)果生動醒目，便于學(xué)生理解。
2.4以實際系統(tǒng)分析為手段，提高學(xué)生知識融會貫通的能力改變對變流技術(shù)中各典型電路孤立的講解，通過帶領(lǐng)學(xué)生進行典型的電力電子系統(tǒng)分析，結(jié)合系統(tǒng)供電、控制等模塊電路結(jié)構(gòu)、原理的介紹，體現(xiàn)該門課程電力、電子和控制學(xué)科間的交叉性，使學(xué)生學(xué)會將與課程相關(guān)的專業(yè)課內(nèi)容靈活運用于電路分析和設(shè)計應(yīng)用中，提高他們對所學(xué)知識的融會貫通能力。
2.5引入專業(yè)常用仿真軟件，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)基本專業(yè)技能專業(yè)仿真軟件在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計及應(yīng)用中的作用越來越顯著，掌握一至兩種仿真軟件工具將成為工科學(xué)生應(yīng)具備的基本素質(zhì)之一。同時，在教學(xué)過程中，利用仿真軟件對電路工作情況進行仿真，可以使分析過程更為直觀，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。目前，電力電子仿真軟件主要有Matlab、Pspice、SIMetrix/SIMPLIS和Saber等，其中Pspice和Matlab在開關(guān)電源開發(fā)應(yīng)用中具有重要作用，被相關(guān)企業(yè)廣泛運用[4]。在教學(xué)改革中，通過在課堂教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)中引入建模的基本原理與過程，既能使課堂教學(xué)和實驗更加生動直觀與安全，還能引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的應(yīng)用，使他們具備基礎(chǔ)建模能力，有助于滿足企業(yè)對于學(xué)生基本專業(yè)技能的要求。
2.6開發(fā)一批設(shè)計性、綜合性研究實驗，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用、創(chuàng)新能力利用學(xué)校電力電子實驗室和軟件仿真的資源，結(jié)合當(dāng)前熱門課題和企業(yè)需求，開發(fā)一些設(shè)計性、綜合性較強的實驗，或通過課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的方式指導(dǎo)帶領(lǐng)學(xué)生進行研究設(shè)計。實驗的開發(fā)以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力為主要目的，既有助于學(xué)生鞏固所學(xué)知識，提高知識綜合運用能力，又可為電子設(shè)計大賽等專業(yè)比賽人才選拔奠定基礎(chǔ)。
2.7以課程改革為契機，積極拓展校企合作途徑，開發(fā)產(chǎn)學(xué)研項目，提升教師科研水平在課程改革中，積極尋求校企合作的新途徑，深化校企合作的內(nèi)容，將企業(yè)實際項目作為教學(xué)的實踐、提升環(huán)節(jié)，依托學(xué)校的實驗實訓(xùn)中心，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生進行設(shè)計、驗證配合，不僅可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐的興趣，同時也有利于教師自身科研水平的提高。
2電力電子技術(shù)在現(xiàn)階段的實際應(yīng)用探究
2.1電力電子技術(shù)在交通運輸中的實際應(yīng)用
新時期電力電子技術(shù)得到了迅速發(fā)展過程中，已經(jīng)在諸多的領(lǐng)域有了應(yīng)用，其中在電氣化的鐵道交通當(dāng)中就對電力電子技術(shù)有了廣泛應(yīng)用，在電氣機車當(dāng)中的直流機車就是對整流裝置進行的應(yīng)用，而交流機車方面就是對變頻裝置進行的應(yīng)用。另外，在磁懸浮列車當(dāng)中的電力電子技術(shù)的應(yīng)用比較關(guān)鍵，有著諸多的地方需要電力電子技術(shù)的支持才能夠使得磁懸浮列車得以順利的運行，不僅在牽引電機傳動方面，在各種的輔助電源方面也需要這一技術(shù)的支持。而在電動汽車的電機方面也是需要電子裝置對電力進行轉(zhuǎn)換才能夠起到控制驅(qū)動的作用。在船舶以及飛機等對電源的使用也有著很大的不同，所以在對電力電子技術(shù)的應(yīng)用上也比較的關(guān)鍵。
2.2電力電子技術(shù)在家用電器中的實際應(yīng)用
新時期電力電子技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械募矣秒娖鞣矫娴膽?yīng)用也比較的廣泛，這對人們的生活提供了很大的方便，其中洗衣機是生活中常用的家用電器，在電力電子技術(shù)的應(yīng)用下能夠代替人工工作，只需要將衣服放進洗衣機按下按鈕，就能夠通過電力電子技術(shù)的功能支持完成整整個洗衣的過程。還有就是在廚房洗碗機家用電器的電力電子技術(shù)的應(yīng)用上和洗衣機的原理類似，在空調(diào)器的電力電子技術(shù)的應(yīng)用上能夠起到節(jié)能作用，實踐證明能夠節(jié)約30%的電能，而電頻熒光燈在工作效率上要比普通的能的效率高很多。
2.3電力節(jié)能中的電力電子技術(shù)的實際應(yīng)用
在我國的經(jīng)濟得到迅速發(fā)展的過程中，也在能源的消耗上付出了很大的代價，尤其是在電力能源的消耗上比較嚴(yán)重。當(dāng)前的工業(yè)和電力的結(jié)合已經(jīng)成了發(fā)展的必需條件，所以在電力能源的消耗上逐漸的增加，主要就是由于電力能源而對穩(wěn)定以及利用率高等諸多優(yōu)點。從我國整體的工業(yè)發(fā)展情況來看，在工業(yè)的用電方面還存在著一些不合理的情況，尤其是在用電的效率上得不到有效提高，從而造成了嚴(yán)重浪費的現(xiàn)象，在當(dāng)前的可持續(xù)發(fā)展理念深化背景下節(jié)約電力能源是可持續(xù)發(fā)展理念實踐的一個內(nèi)容，通過對電力電子技術(shù)的實際應(yīng)用能夠有效的將電源的消耗程度有效的降低，在電力電子技術(shù)的作用下，能夠?qū)﹄娏υO(shè)備得到性能上的優(yōu)化以及節(jié)約原材料的使用，這樣就能夠最大化的對電力能源進行節(jié)約。
2.4電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中的實際應(yīng)用
隨著我國對新能源的開發(fā)利用，例如風(fēng)力發(fā)電以及水力發(fā)電等，這其中就涉及到發(fā)電機的電流頻率的變換，水力發(fā)電功率要取決于水頭壓力以及流量，而這對機組的最佳轉(zhuǎn)速變化也會產(chǎn)生影響，為能夠?qū)⒆畲蟮挠行Чβ实靡詫崿F(xiàn)，就需要通過調(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率促進機組的變速運行。另外在大型的發(fā)電機相對靜止勵磁控制方面正是采用的晶閘管整流自并勵的方式，省去了勵磁機中間的慣性環(huán)節(jié)。
二、仿真教學(xué)過程實例分析
由于電力電子技術(shù)課程中的各種電路形式復(fù)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(shù)的仿真教學(xué)過程。三相橋式全控整流電路在工業(yè)生產(chǎn)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(shù)課程的重點內(nèi)容。三相橋式全控整流電路為如上所述教材的3.2.2節(jié)內(nèi)容，主要包括電路原理圖、電阻性負(fù)載、阻感性負(fù)載工作情況三部分內(nèi)容。該節(jié)課程的知識目標(biāo)定位于掌握三相橋式全控整流電路的組成、特點及應(yīng)用，理解三相橋式全控整流電路的工作原理；能力目標(biāo)定位于能夠根據(jù)電路圖搭建相應(yīng)電路并進行測量，同時能夠根據(jù)任務(wù)要求開展相關(guān)實驗。該節(jié)課程的仿真教學(xué)過程中首先讓學(xué)生掌握電路結(jié)構(gòu)，然后針對不同負(fù)載情況下，讓學(xué)生理解工作原理并學(xué)會波形分析及參數(shù)定量計算，最后結(jié)合“自動控制原理”及“電機學(xué)”課程相關(guān)內(nèi)容，給出仿真實驗任務(wù)，目的讓學(xué)生逐步進入狀態(tài)，逐步掌握學(xué)習(xí)這門課的方法，下面給出仿真教學(xué)中需要注意的教學(xué)重點，其它教學(xué)部分可參考相應(yīng)教材，這里不再贅述。
1.三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)該部分首先介紹三相橋式全控整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，它區(qū)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(yōu)點，同時采用幻燈片播放實際應(yīng)用案例的形式，來增強學(xué)生對該部分內(nèi)容的感性認(rèn)識，并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，介紹該電路中包含六個晶閘管元件，是目前學(xué)習(xí)中器件最多的電路，需要學(xué)生們認(rèn)真理解六個晶閘管器件的觸發(fā)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(diào)以下幾點：①晶閘管器件編號務(wù)必為共陰極組內(nèi)VT1、VT3、VT5，共陽極組內(nèi)VT4、VT6、VT2；②晶閘管門極觸發(fā)脈沖順序務(wù)必為VT1-VT6；③晶閘管觸發(fā)脈沖相位間隔60度。
2.帶電阻性負(fù)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(fù)載選擇為電阻性負(fù)載，并增加若干示波器觀察點，其中三相電源設(shè)置為幅值100V、頻率50Hz，電阻負(fù)載2Ω，仿真參數(shù)設(shè)置為仿真起始時間0.0s，結(jié)束時間0.1s，算法選擇ode23tb。帶電阻性負(fù)載情況下的教學(xué)重點為：①不同觸發(fā)角下的波形分析；②負(fù)載電流的連續(xù)與斷續(xù)分析；③晶閘管的單觸發(fā)脈沖與雙觸發(fā)脈沖形式。其中難點內(nèi)容為連續(xù)與斷續(xù)狀態(tài)下的脈沖形式。首先通過仿真詳細(xì)講解30度觸發(fā)角時的波形情況，要求學(xué)生在給定電源條件下能夠正確理解觸發(fā)脈沖、直流負(fù)載電壓、直流負(fù)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(fā)角的觸發(fā)時刻，由于三相整流電路的自然換相點對應(yīng)A相電壓波形的30度位置，因此30度觸發(fā)角情況下的晶閘管VT1觸發(fā)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(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，再分析其他電量；③特別注意強調(diào)線電壓波形及波形畫法。然后，利用仿真教學(xué)的優(yōu)勢進一步講解如上教學(xué)重點要求，如圖3所示為60度和90度觸發(fā)角下的晶閘管觸發(fā)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(fā)角為負(fù)載電壓和電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界點，90度觸發(fā)角時清楚的看到負(fù)載電流為斷續(xù)狀態(tài)，同時各個觸發(fā)脈沖為保證電流斷續(xù)下正常工作而變成雙觸發(fā)脈沖形式。為了讓學(xué)生能夠更深入的理解電阻性負(fù)載時的工作情況，在仿真教學(xué)過程中，可以采取更小的脈沖角度間隔對多個觸發(fā)角進行多次仿真，這樣更能深入理解隨著觸發(fā)角的增加，直流負(fù)載電壓不斷降低的過程。
3.帶阻感性負(fù)載情況分析當(dāng)三相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載工作時，其特點就是能保證負(fù)載電流續(xù)流而不出現(xiàn)斷續(xù)的狀態(tài)，因此該部分的教學(xué)重點為：①讓學(xué)生能夠清楚的理解整個移相范圍內(nèi)負(fù)載電流總是連續(xù)的工作狀態(tài)；②由于電感的作用，負(fù)載電壓會出現(xiàn)負(fù)的部分；③大電感狀態(tài)下，負(fù)載電流近似為一條直線。圖4為觸發(fā)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(fā)角為90度情況進行對比，可以清楚的看出阻感性負(fù)載時的直流負(fù)載電壓波形既有正向波形，又有負(fù)向波形，負(fù)載電流波形始終處于連續(xù)狀態(tài)，同時還可以通過仿真教學(xué)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(dāng)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(wù)：直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)完成如上規(guī)定的仿真教學(xué)任務(wù)后，可以給學(xué)生布置相應(yīng)的仿真實驗任務(wù)，結(jié)合直流電機原理和閉環(huán)控制原理，安排直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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(wù)如下：（1）仿真參數(shù)設(shè)置：仿真起始時間0.0s，結(jié)束時間5s，算法選擇ode23tb。（2）系統(tǒng)要求跟蹤恒值速度給定500r/min。（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)定為比例控制，要求分析不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩、不同轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)下的電機電壓、電流和轉(zhuǎn)速波形。這里給出用于教學(xué)參考的系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)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(fù)載，因此通過仿真實驗可以更深入的認(rèn)識阻感性負(fù)載下的三相橋式全控整流電路的工作過程，直流負(fù)載電壓即電機供電電壓有正負(fù)波形，直流負(fù)載電流即電機電樞電流為連續(xù)狀態(tài)且近似為一條直線，轉(zhuǎn)速波形由學(xué)生在仿真實驗中自行觀察。
電力電子器件主要是由一些半導(dǎo)體半控器件和全控器件組，主要有IGBT、BJT、MOSMOSFET、GTR等組成。成為了滿足廣大需求、適應(yīng)復(fù)雜多變的惡劣自然天氣、自然災(zāi)害，生產(chǎn)出質(zhì)量高、性能好的電壓和電流，要求電力電子器件具有可靠性高，抗干擾能力強，溫度穩(wěn)定性高并且有一定的電氣隔離能力，能承受短暫的高電壓強電流。電子器件所控制得智能電網(wǎng)應(yīng)該有自愈性、安全性、交互性、經(jīng)濟性、優(yōu)質(zhì)高效、清潔環(huán)保市場化程度高。
1.2在風(fēng)力發(fā)電與太陽能發(fā)電中的應(yīng)用
太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負(fù)載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負(fù)載為系統(tǒng)終端，在太陽能的利用上同樣面臨這類似的問題，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要以電源方式并入電網(wǎng)，其輸出系統(tǒng)的電力跟蹤電網(wǎng)電壓電流相位變化，同時調(diào)整輸出電流幅值的大小，使光伏系統(tǒng)注入電網(wǎng)中的功率最大，為了彌補光伏發(fā)電系統(tǒng)在功率上的波動，還需要通過控制器對蓄電池的雙向充放電，以保證向電網(wǎng)輸送平穩(wěn)的電壓電流，和規(guī)定的相位，使電網(wǎng)得到純凈的高質(zhì)量電力。
1.3超高壓直流輸電技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用
超高壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電、異步聯(lián)網(wǎng)、海底電纜送電等方面具有優(yōu)勢，因而得到了廣泛應(yīng)用。而特高壓直流輸電更可以有效節(jié)省輸電走廊，降低系統(tǒng)損耗，提高送電經(jīng)濟性，它為我國解決能源分布不均、優(yōu)化資源配置提供了有效途徑。截至2009年，我國已建成7個超高壓直流輸電工程和2個直流背靠背工程，直流輸電線路總長度達7085km，輸送容量近20GW，線路總長度和輸送容量均居世界第一。預(yù)計到2020年，我國將建成“強交強直”的特高壓混合電網(wǎng)和堅強的送、受端電網(wǎng)，預(yù)計直流工程達50項，其中規(guī)劃建設(shè)30多個特高壓工程，包括5個±1000kV的直流工程。
1.4SVC在智能電網(wǎng)的應(yīng)用
SVC是一種比較典型的電力電子控制技術(shù)，在電網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，它具有許多作用，可以調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的電壓從而保證其穩(wěn)定,并通過控制無功潮流來增加系統(tǒng)輸送點的能力,提供無功功率給直流換流器,提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性,還可以加強對電力系統(tǒng)低頻振蕩的阻尼。SVC技術(shù)是提高我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性,解決電網(wǎng)輸配電存在的不足之處的一個非常重要的技術(shù),它具有優(yōu)化潮流和無功補償?shù)墓δ?可以有效改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、安全性和輸電的能力、效率。
1.5在電力分配上的作用
電網(wǎng)應(yīng)該能滿足所有用戶的要求，特別是國家電網(wǎng)應(yīng)該不允許出現(xiàn)這樣的缺陷，電網(wǎng)所面臨的用戶多種多樣，包括了普通家庭，醫(yī)院，工廠，城市照明等，當(dāng)電力通過電網(wǎng)輸送到用戶的面前時，還需要電網(wǎng)根據(jù)不同客戶的要求輸出合適的頻率、幅值、相位，在面臨雷擊、短路、及自然災(zāi)害的情況下應(yīng)該任然能維持電網(wǎng)的平衡穩(wěn)定，積極滿足用戶的需求。如今。城市用電迅速增長，原來的架空電網(wǎng)的供應(yīng)已經(jīng)不能滿足用戶的需求，在交流的長距離出送中，需要添加電力電子設(shè)備，對電網(wǎng)缺失進行補充，增加電力電子設(shè)備環(huán)節(jié)對供電系統(tǒng)起著越來越重要的的作用。
一、前言
電力電子技術(shù)是一個以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺。經(jīng)過50年的發(fā)展歷程，它在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備發(fā)行、電能質(zhì)量控制、新能源開發(fā)和民用產(chǎn)品等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)是直流輸電(HVDC)。自20世紀(jì)80年代，柔流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。本文介紹了電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運用。
二、電力電子技術(shù)的應(yīng)用
自20世紀(jì)80年代，柔流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。
(一)在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運行特性為主要目的。
1大型發(fā)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及造價低等優(yōu)點，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。
2水力、風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻勵磁
水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當(dāng)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(zhuǎn)速便隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。
3發(fā)電廠風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速
發(fā)電廠的廠用電率平均為8％，風(fēng)機水泵耗電量約占火電設(shè)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(fēng)機水泵的變頻調(diào)速，可以達到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并不完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。
(二)在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性。
1直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDCLight)技術(shù)
直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，對于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)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柔流輸電(FACTS)技術(shù)
FACTS技術(shù)的概念問世干20世紀(jì)80年代后期，是一項基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。
20世紀(jì)90年代以來，國外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實際電力系統(tǒng)工程。其輸出無功的大小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應(yīng)用。
(三)在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
配電系統(tǒng)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(zhì)量。電能質(zhì)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(tài)的波動和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力(customPower)技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)?？梢詫FACTS設(shè)備理解為FACTS設(shè)備的縮小版，其原理、結(jié)構(gòu)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(fā)投入和生產(chǎn)成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預(yù)期DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將進入快速發(fā)展期。
(四)在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用
1變負(fù)荷電動機調(diào)速運行
電動機本身挖掘節(jié)電潛力只是節(jié)電的一個方面，通過變負(fù)荷電動機的調(diào)速技術(shù)節(jié)電又是另一個方面，只有將二者結(jié)合起來，電動機節(jié)電方較完善。目前，交流調(diào)速在冶金、礦山等部門及社會生活中得到了廣泛的應(yīng)用。首先是風(fēng)機、泵類等變負(fù)荷機械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量具有顯著的效果。國外變負(fù)荷的風(fēng)機、水泵大多采用了交流調(diào)速，我國正在推廣應(yīng)用中。
變頻調(diào)速的優(yōu)點是調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，能實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)速。在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，節(jié)電率一般可達30％左右。其缺點主要為：成本高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。
2減少無功損耗，提高功率因數(shù)
2“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計改革
“電力電子技術(shù)”課程應(yīng)用性強，因此要求學(xué)生有較強的動手實踐能力。課程開設(shè)了6個學(xué)時的實驗，對學(xué)生來說實踐時間較少。因此率先在車輛工程專業(yè)新能源汽車專業(yè)方向開設(shè)了“汽車電力電子技術(shù)課程設(shè)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(shè)計”、“車載逆變電源—推挽式直流變換電路設(shè)計”、“車載逆變電源—工頻逆變電路設(shè)計”等設(shè)計課題，要求學(xué)生通過課程設(shè)計能充分了解電力電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用以及應(yīng)用設(shè)計，要求學(xué)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(shù)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(shè)計，并能夠掌握電力電子器件常用的驅(qū)動電路設(shè)計，合理設(shè)計保護電路。同時對于電路原理圖要求采用EDA（電子設(shè)計自動化，ElectronicDesignAu-tomation）軟件進行繪圖，將學(xué)生所學(xué)的電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、EDA技術(shù)等幾門課程在汽車電力電子技術(shù)課程設(shè)計中進行融合，提高學(xué)生的實際設(shè)計能力。對multisim實踐能力較強、學(xué)有余力的同學(xué)進一步指導(dǎo)其采用仿真手段（Matlab或者Multisim）進行仿真實習(xí)，論證設(shè)計結(jié)果。通過緊張而充實的課程設(shè)計，大部分的同學(xué)對電力電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用有了進一步的認(rèn)識，并對所學(xué)的相關(guān)課程進行貫通融合，充分了解所學(xué)專業(yè)課程之間的相互聯(lián)系，增強了對自身所學(xué)專業(yè)知識架構(gòu)的認(rèn)識，能夠熟練利用相關(guān)課程、相關(guān)技術(shù)手段進行電路設(shè)計，實現(xiàn)在專業(yè)知識架構(gòu)中的“自由天地”。
二、加強課程建設(shè)，精心、合理選擇教學(xué)內(nèi)容
1.了解相關(guān)課程之間的分工。知識是相互聯(lián)系、相互滲透的。在開課前，熟悉本課程與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系，了解先修課“電路”和“電子技術(shù)基礎(chǔ)”兩門課程的教學(xué)情況和后續(xù)課“變頻調(diào)速技術(shù)”的安排，處理好他們之間的關(guān)系，保持整個專業(yè)課程體系前后銜接，避免內(nèi)容的重復(fù)和疏漏。例如“自關(guān)斷器件”一章節(jié)，電子技術(shù)基礎(chǔ)中已講過小功率晶體管、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、原理、特性及應(yīng)用。在本門課程中，對功率晶體管、功率場效應(yīng)管應(yīng)重點講述其與小功率管的不同之處。對于晶閘管直流電動系統(tǒng)部分，重點應(yīng)在整流、有源逆變兩種狀態(tài)下，電流連續(xù)、斷續(xù)時的電動機特性，而直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容則需放到后續(xù)課程“變頻調(diào)速技術(shù)”中。
2.以器件、電路、應(yīng)用為主線，加強基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。以開關(guān)方式工作的電力半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)核心。電力電子器件的基礎(chǔ)之一是能以小信號輸入控制很大的輸出，這就使電力電子設(shè)備成為強弱電之間的接口的基礎(chǔ)。講解器件原理及特性，目的是為了應(yīng)用器件組成電路，故應(yīng)掌握器件外部特性、極限參數(shù)和使用注意事項。三方面的內(nèi)容應(yīng)以電路為主，學(xué)習(xí)各類電力半導(dǎo)體器件所構(gòu)造各種功率變換電路時，學(xué)生應(yīng)掌握功率變換主電路的構(gòu)成、工作原理和工作波形，不同負(fù)載對電路工作特性的影響以及主電路的元件參數(shù)計算和選擇。
3.介紹學(xué)科前沿發(fā)展的動向，反映本學(xué)科和相鄰學(xué)科的新成果、新進展。無電網(wǎng)污染、無電磁干擾、節(jié)能省電等綠色指標(biāo)是全球范圍內(nèi)的熱門話題。由于很多電力電子裝置結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，為簡化設(shè)計而出現(xiàn)的集功率開關(guān)、變換控制電路、傳感控制電路為一體的智能功率集成模塊受到歡迎，厚膜集成模塊、積木式的功能模塊，靈活機動既能單獨使用，也能相互組合成較大的系統(tǒng)，成為電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)主動吸收最新信息，同時引導(dǎo)學(xué)生了解電力電子技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，擴大知識面，這可通過指導(dǎo)學(xué)生閱讀與電力電子技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)期刊，登陸相關(guān)的專業(yè)網(wǎng)站，使學(xué)生了解自己目前所學(xué)知識在本領(lǐng)域所處的位置，從而站在較高的起點上，去適應(yīng)學(xué)科未來發(fā)展的需要。
三、改革教學(xué)方法，形成以能力培養(yǎng)為主線的課程特色
《電力電子技術(shù)》是一門理論包含實踐的課程，根據(jù)其自身的特點，課程的內(nèi)容設(shè)計應(yīng)注重“講”“練”。多年來，電力電子技術(shù)課程的教學(xué)方法是以教師為中心的，逐章逐節(jié)不厭煩地講授，講得過多、過細(xì)，以求“當(dāng)堂弄懂”“課上解決”。這樣只是傳授，學(xué)生總是處于被動接受的地位，極大地妨礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性的發(fā)揮，不利于學(xué)生的素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。而實現(xiàn)教學(xué)現(xiàn)代化是加大授課信息量，節(jié)約課時，增強教學(xué)效果的重要措施。為改變這種情況，首先，教師在課前注意調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，合理安排教學(xué)內(nèi)容。而在教學(xué)中力求突出內(nèi)容的重點和難點，但又要保證內(nèi)容的系統(tǒng)性、完整性，并精選一部分內(nèi)容留給學(xué)生去自學(xué)，寫報告，然后開展課堂討論，同時，結(jié)合學(xué)生看到的一些與電力電子技術(shù)有關(guān)的現(xiàn)象，讓學(xué)生設(shè)計主電路，畫出波形圖。四、加強實踐環(huán)節(jié)，注重綜合能力培養(yǎng)
電力電子技術(shù)有很強的實踐性，而實驗是培養(yǎng)理論聯(lián)系實際、動手能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)研究方法的重要手段，因此應(yīng)精選最基本的也有較高實用價值的實驗項目。例如選擇在計算機、通訊設(shè)備及家用電器等廣泛應(yīng)用的開關(guān)電源作為實驗項目，介紹典型的開關(guān)電源的線路，比較開關(guān)電源和線性電源的性能，使學(xué)生對開關(guān)電源有了深刻的印象，并增強了學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)課程的興趣。由于電力電子電路具有強、弱電結(jié)合的特點，要特別強調(diào)實驗操作的認(rèn)真、規(guī)范，保證實驗順利進行，避免事故發(fā)生。實驗前，要求學(xué)生根據(jù)實驗名稱及預(yù)習(xí)要求進行預(yù)習(xí)，從而在觀察現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)問題等方面充分發(fā)揮主觀能動性。實驗過程中，注意考察每個學(xué)生的實際動手能力，針對性提出線路連接和實驗現(xiàn)象方面的問題。讓學(xué)生邊做邊答，防止學(xué)生機械接線，使實驗走過場。注意介紹新儀表、新儀器的使用，例如數(shù)字式示波器的使用，這樣學(xué)生會直接感受到科技發(fā)展帶來的巨大方便。
計算機仿真是使用計算機對已經(jīng)存在或正在設(shè)計的對象的模型進行研究，具有精度高、重復(fù)性好等特點，是進行科學(xué)研究的重要手段之一。現(xiàn)在出現(xiàn)了大量的仿真軟件，將電子仿真設(shè)計軟件PSPICE和科學(xué)計算軟件MATLAB等引入到電力電子技術(shù)教學(xué)中，讓學(xué)生按研究的側(cè)重面或?qū)嶋H需要對實際對象進行簡化提煉，而不是原型的復(fù)現(xiàn)，這樣有利于抓住其本質(zhì)或主要矛盾，對所學(xué)理論有深刻的理解，也為學(xué)生今后從事工程設(shè)計和科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。
在課程結(jié)束前安排一周的課程設(shè)計，可將電力電子技術(shù)及其他先修課程(電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)、電機學(xué)等)中所學(xué)到的理論和實踐知識全面地結(jié)合起來，同時培養(yǎng)和提高學(xué)生自我獲取知識的能力。課程設(shè)計的內(nèi)容應(yīng)具有一定的系統(tǒng)性、新穎性。教師要發(fā)揮指導(dǎo)作用，指導(dǎo)學(xué)生閱讀參考文獻，審閱設(shè)計方案，檢查設(shè)計進度，及時指導(dǎo)和幫助其解決存在的問題，逐步培養(yǎng)學(xué)生的獨立工作能力、設(shè)計技能和建立正確的設(shè)計思想，重視學(xué)生的具有創(chuàng)新精神的見解。
五、結(jié)束語
電力電子技術(shù)課程的教學(xué)改革是一項系統(tǒng)工程，其學(xué)術(shù)性和技術(shù)性較強，涉及面很廣。而教學(xué)改革是一項長期而艱巨的任務(wù)，我們只有不斷積極探索教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，充實自己，以適應(yīng)當(dāng)今社會的需要。
【摘要】本文介紹了“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)方法改革。研究、探索和實踐與教學(xué)體系相適應(yīng)的實踐教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)手段。提出了全方位教學(xué)的改革與實踐的新思路，為社會培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)技術(shù)應(yīng)用型人才。
【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)教學(xué)方法教學(xué)改革
參考文獻：
2增加課程設(shè)計環(huán)節(jié)
學(xué)生在完成基本實驗后可參加課程設(shè)計，并在課程設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)生需要通過自學(xué)相關(guān)內(nèi)容才可以設(shè)計出方案，課程設(shè)計是在整個學(xué)習(xí)過程中的綜合實踐，是實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)．以往電力電子技術(shù)教學(xué)過程中沒有課程設(shè)計，部分學(xué)生學(xué)完課程后，僅僅知道書本上的一些原理知識，對于電力電子技術(shù)的實際應(yīng)用并不了解．課程設(shè)計可以是3～4名學(xué)生做一個專題，學(xué)生相互合作完成設(shè)計題目．由于時間的限制，課程設(shè)計要求用仿真軟件仿真出結(jié)果．通過課程設(shè)計促使學(xué)生把電力電子技術(shù)及其它課程的理論知識相融合，使學(xué)生認(rèn)識到課程之間的知識點是相互聯(lián)系的，進而培養(yǎng)學(xué)生分析實際問題的綜合能力．
3利用仿真軟件增加虛擬實驗
電力電子技術(shù)實驗教學(xué)用到的是各功率器件，三相交流電源與示波器等，其成本高昂且具有危險性．可以在電力電子技術(shù)實驗中引入計算機仿真，把電子仿真軟件PSPICE和MATLAB引入到電力電子技術(shù)實驗中，不僅可彌補實驗設(shè)備數(shù)量不足的缺點，還不用擔(dān)心實驗設(shè)備損壞和人身安全問題．仿真實驗沒有時間與地點的限制，學(xué)生也可在課外用計算機仿真，從而克服了實驗課時有限的不足．計算機仿真是使用仿真軟件對被控對象的數(shù)學(xué)模型進行仿真，直觀地顯示電路的工作狀態(tài)與系統(tǒng)波形，可以起到虛擬實驗的教學(xué)目標(biāo)，計算機仿真的優(yōu)點是精度高和重復(fù)性好．讓學(xué)生按照課題設(shè)計的重點和需要對實際模型進行建模，這樣有利于學(xué)生加深所學(xué)的理論知識，而且為學(xué)生將來從事工程設(shè)計打下基礎(chǔ)．
一、前言
電力電子技術(shù)是一個以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺。經(jīng)過50年的發(fā)展歷程，它在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備發(fā)行、電能質(zhì)量控制、新能源開發(fā)和民用產(chǎn)品等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)是直流輸電(HVDC)。自20世紀(jì)80年代，柔流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。本文介紹了電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運用。
二、電力電子技術(shù)的應(yīng)用
自20世紀(jì)80年代，柔流輸電(FACTS)概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。
(一)在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運行特性為主要目的。
1大型發(fā)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及造價低等優(yōu)點，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。
2水力、風(fēng)力發(fā)電機的變速恒頻勵磁
水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當(dāng)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(zhuǎn)速便隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。
3發(fā)電廠風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速
發(fā)電廠的廠用電率平均為8％，風(fēng)機水泵耗電量約占火電設(shè)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(fēng)機水泵的變頻調(diào)速，可以達到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并不完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。
(二)在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性。
1直流輸電(HVDC)和輕型直流輸電(HVDCLight)技術(shù)
直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點，對于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)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柔流輸電(FACTS)技術(shù)
FACTS技術(shù)的概念問世干20世紀(jì)80年代后期，是一項基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。
20世紀(jì)90年代以來，國外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實際電力系統(tǒng)工程。其輸出無功的大小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應(yīng)用。
(三)在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
配電系統(tǒng)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(zhì)量。電能質(zhì)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(tài)的波動和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力(customPower)技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)?？梢詫FACTS設(shè)備理解為FACTS設(shè)備的縮小版，其原理、結(jié)構(gòu)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(fā)投入和生產(chǎn)成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預(yù)期DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將進入快速發(fā)展期。
(四)在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用
1變負(fù)荷電動機調(diào)速運行
電動機本身挖掘節(jié)電潛力只是節(jié)電的一個方面，通過變負(fù)荷電動機的調(diào)速技術(shù)節(jié)電又是另一個方面，只有將二者結(jié)合起來，電動機節(jié)電方較完善。目前，交流調(diào)速在冶金、礦山等部門及社會生活中得到了廣泛的應(yīng)用。首先是風(fēng)機、泵類等變負(fù)荷機械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量具有顯著的效果。國外變負(fù)荷的風(fēng)機、水泵大多采用了交流調(diào)速，我國正在推廣應(yīng)用中。
變頻調(diào)速的優(yōu)點是調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，能實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)速。在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，節(jié)電率一般可達30％左右。其缺點主要為：成本高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。
2減少無功損耗，提高功率因數(shù)
