电力电子技术领域的现状和展望

电力电子技术领域的现状和展望

王 震 占江山 罗运成

(武汉数字工程研究所 武汉 430074)

摘 要

从产业的角度简介电力电子技术的现状,从技术的角度综述电力电子技术在今后五至十年的展望以及努力方向。

关键词:电力电子 产业现状 技术展望

中图分类号:T M76

C urrent Situation and Prospects of Electric Power and Electronic Technology

Wang Zhen Zhan Jiangshan Luo Yuncheng

(W uhan Dig ital Engineer ing Institute,Wuhan 430074)

Abstract:T his paper briefly introduces the curr ent situatio n of electric power and electronic technology from the point of view of industr y,and summarizes the prospects and the direction of efforts in the field of electric power and electronic technology for the next fiv e to ten years fr om the point of view of technology.

Key words:electric power and electronics,cur rent situation of industry,prospects o f technology

C lass number:T M76

1 引言

电力电子技术属电气工程!一级学科目录下的二级学科:电力电子与电力传动,学科编号为080804。最近几年来,经国务院学位委员会和教育部批准并备案,全国许多重点高校在电气工程!及相关的电子科学与技术!、控制科学与工程!、计算机科学与技术!、信息与通信工程!等一级学科目录中又自主增设了数拾种专业(二级学科),学科之间的相互交叉、渗透日益增强。电力电子技术已在发展中实现了多学科的交叉,它的典型特点是强电与弱电相结合,以弱电控制强电,用以实现电能的转换、控制、分配和应用的最优化、高效率、智能化。电力电子技术的高速发展与半导体及其集成技术!、计算机科学与技术!、控制科学与技术!、仿真技术!等学科的高速发展和市场及社会需求的强力牵引等因素息息相关。

2 现状

电力电子技术的研究对象是电能形态的各种转换、控制、分配、传送和应用,本学科的研究成果和产品含盖了所有军事、工业和民用等产业中的一切电子设备、数字信息系统和通讯系统。电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源,正是有赖于对电能的充分开发和利用,人类才得以进入如此发达的工业化和信息化的社会。电力电子技术的诞生和发展使人类对电能利用的方式发生了革命性的变化,并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内,用电总量中经过电力电子装置变换、调节和控制的比例已成为衡量一个国家工业发达程度的重要标志。据统计,到1995年,发达国家所使用的电能中有75%左右是经过电力电子技术变换和控制后才使用的,估计在今后五年内,这一比例将高达95%以上。人类社会发展的需求给电力电子技术提出了严峻挑战。近年来,随着半导体及其集成技术、电子科学与技术、计算机科学与技术和现代通讯产业的高速发展,使得电力电子技术及其产业得到了强力的技术基础支撑和巨大的需求牵引,无论是技术发展水平还是产业规模和产值都得到了飞速发展,特别是近十年来,更是进入了高速发展时期,下面从电力电子技术产业的角度分门别类予以简介。

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计算机与数字工程 第33卷 收到本文时间:2004年12月10日

2.1高频开关电源:

这是一种主要用于满足计算机、通讯和数字信息处理系统需求的电源产品,它的技术特点是高性能、高效率、高可靠性和高功率密度,这种电源产品还应用于一切军、民用电子设备之中,据估计,到上世纪末,全世界高频开关电源的市场规模已达每年180亿美元,近年来又有了显著地增长。据不完全统计,我国高频开关电源的生产厂家有300多家,其中年产值上亿元的不足20家,从全国来看,开关电源的市场规模,目前已超过每年100亿元人民币。

2.1.1通讯电源技术及产业:

现代通讯电源是高频开关电源技术的代表和产业及市场的主力军,其技术特色是用先进的集成化场控器件构造主变换回路,以软开关技术和智能化控制技术(DSP及微处理机等)为核心,以计算机仿真和优化设计技术为手段,以高性能、高功率密度、高可靠性为目的。到本世纪之初,我国这一产业的市场规模已达到每年近50亿元人民币,仅华为电气一家的年产值最高时达26亿,此外,年产值1至5亿元之间的厂家还有北京动力源、北京通力环、武汉洲际和烟台东方玉麟电子等多家公司。近年来通讯电源的产值又有了明显增长。

2.1.2PC机开关电源产业:

PC机电源需求量非常巨大,其特点是单台电源价格低、利润也较低,但批量巨大,总产值和利润也相当可观,仅台湾光宝电子公司在东莞就设立了32条先进的PC机开关电源生产线,其月产能力达320万台,年产量即达3840万台,以每台100元人民币出厂价计算,其年产值即达38.4亿人民币。此外,深圳地区也有多条外商、台商投资设立的先进的PC机开关电源生产线,其产量和产值都十分可观。

2.1.3DC/DC、AC/DC高功率密度集成化电源模块

这种基于软开关电路拓朴的高功率密度小型模块化的DC/DC、AC/DC电源模块以及有源功率因素校正模块、输入整流和EM I滤波模块、输出纹波滤波模块等系列产品诞生于上个世纪九十年代初期,近年来,这种集高科技、高附加值于一身的模块化电源,在技术上已日臻成熟,其功率密度最高可达875W/in3,MTBF已逼近1000万小时,其市场占有率和产值都得到了迅猛的发展,已形成了一个颇具潜力的朝阳产业,这方面有代表性的公司如:日本的公司LAMBDA公司、COSEL公司、美国的VICOR公司、AST EC公司、LUCENT(朗讯)公司及欧洲的爱立信公司、盖亚公司等,这些公司的模块化电源年产值都非常可观,有些甚至接近或超过10亿美元。

2.1.4各种工业、军用、民用开关电源:

这种采用软开关模块为核心来构造的电源或使用各种专用的电源控制和管理IC为核心加上外围电路来构造的电源,广泛应用于一切电子设备、计算机和数字信息系统及各种军事装备,范围包括所有军事、工业和民用电子设备的一切领域。

2.2变频技术及其应用。

变频技术及这一领域的电力电子变换装置主要是为了这样一个目标:即根据用户的需求实现电能的AC-AC变换,包括实现电压、电流、频率、波形等主要参数的变换。到目前为止,变频技术的主回路拓朴基本上还是以AC-DC-AC变换为主,其中AC-DC环节以现代整流技术并配以大容量L、C来实现,而DC-AC变换则由集成化场控器件构建的主回路和经过优化设计并采用集成化、智能化、数字化控制的控制电路来完成。变频技术及其装置得到了极其广泛的应用。主要应用如下: 2.2.1变频调速技术及应用:

目前世界各国都大量使用各种电动机,据统计各种电动机的总用电量要占总发电量的40%左右,采用变频调速技术对电动机的运行实施控制和调节是最佳的节能手段,大约可节电30%左右。这一技术广泛应用于工业(电力传动)、交通(电气机车)、国防和民用领域(空调、冰箱、洗衣机等),变频调速技术应用的国内市场几乎被国外大公司所垄断,国内一些重点高校和科研院所及少数大型民营企业也在开展相关的研究与开发、产品所占的市场份额较少。

2.2.2变频感应加热装置:

感应加热装置是变频技术应用的一个重要领域,目前我国已开发出功率达几百千瓦、频率为几拾千周的超音频感应加热电源,这种高频感应加热装置可广泛应用于精密合金铸造、热处理、焊接等工业领域,优点是:可靠性高、综合性能好、电能的应用效率高、对环境的污染小。

2.2.3高频逆变式整流式电焊机:

这种在综合性能上比传统焊机优越得多的高频逆变式整流式电焊机代表着当今焊机的发展方向。这种基于变频技术的焊机具有效率高、体积小、重量轻、空载损耗低、焊接质量好,起弧容易和飞溅小等特点。据统计,我国旧式工频焊机的保存

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第33卷(2005)第7期 计算机与数字工程