電力電子技術(shù)的應(yīng)用.doc

電力電子技術(shù)在機(jī)械中的應(yīng)用摘要：電力電子技術(shù)正在不斷發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)器件的陸續(xù)誕生，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為現(xiàn)代控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的支持，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。關(guān)鍵詞：普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化一、引言電力電子技術(shù)是研究應(yīng)用電力半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的學(xué)科，它是一門由電子、電力半導(dǎo)體器件和控制三者相互交叉而出現(xiàn)的新興邊緣學(xué)科。它研究的內(nèi)容非常廣泛，主要包括電力半導(dǎo)體器件、磁性材料、電力電子電路、控制集成電路以及由其組成的電力變換裝置。目前，電力電子學(xué)研究的主要方向是1:（1）電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、測(cè)試、模型分析、工藝及仿真等；（2）電力開關(guān)變換器的電路拓?fù)?、建模、仿真、控制和?yīng)用；（3）電力逆變技術(shù)及其在電氣傳動(dòng)、電力系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用等。結(jié)合作者機(jī)械工程的專業(yè)背景，本文將介紹電力電子技術(shù)在一般工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及國(guó)內(nèi)技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展及展望。二、電力電子技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用1、簡(jiǎn)介如今汽車用電源形成了多種電源并存的局面，以便實(shí)現(xiàn)汽車的各種功能，其中免不了利用電力電子技術(shù)（例如，回波技術(shù)，藉能量管理或功率管理的最佳化，高可靠性，利用線控裝置的電子控制系統(tǒng)等）。由于PE技術(shù)導(dǎo)致了“響應(yīng)性好”、“軟控制的靈活性”、“小型輕量化的操控”、“高的效率”等一系列優(yōu)越的性能，如今其在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，2、普銳斯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)由以下主要結(jié)構(gòu)部件組成：高效率的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力分離機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，逆變器，升壓變換器，鎳氫電池，以及對(duì)這些進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的系統(tǒng)控制裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)和無級(jí)變速功能演示：(1) 停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止，發(fā)動(dòng)與輕載運(yùn)行時(shí)僅由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)EV行駛；(2) 加速時(shí)，將發(fā)電機(jī)作為起動(dòng)機(jī)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，藉行星齒輪機(jī)構(gòu)分離成直接驅(qū)動(dòng)力與發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，發(fā)電機(jī)向電動(dòng)機(jī)供電；(3) 急加速時(shí)，不僅增加發(fā)電機(jī)功率，還藉來自蓄電池的功率，以提升電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力；(4) 正常行駛時(shí)，控制發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)效率最高。同時(shí)，按照需要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；(5) 減速時(shí)，將電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)能量的回收。3、常用的電子電力技術(shù)裝置（1） 逆變器單元在prius主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)所用三相電壓型逆變器（功率分別為50kw和30kw）被集成在一個(gè)模塊上，直流母線最大供電電壓被設(shè)定為500v。功率器件選用帶有反并聯(lián)續(xù)流二極管的商用igbt（850v/200a），該功率等級(jí)的igbt具有足以承受最大500v反壓的能力，以及其它諸如雪崩擊穿、瞬時(shí)短路的能力。功率主回路示意圖目前，電動(dòng)汽車普遍采用pwm控制的電壓型逆變器，這種逆變器具有線路簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，同時(shí)pwm逆變器呈現(xiàn)出以下幾種發(fā)展趨勢(shì)：a、采用igbt器件，工作頻率高，并減少了低頻諧波分量和起動(dòng)時(shí)的電流沖擊b、電機(jī)額定頻率相應(yīng)提高了，擴(kuò)大了調(diào)速范圍，在更好地滿足運(yùn)行要求的同時(shí)，減少電機(jī)的體積和重量，提高功率比。c、采用dsp為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的矢量控制和運(yùn)算，電機(jī)可做到快速恒力矩起動(dòng)及弱磁高速運(yùn)行，這種控制系統(tǒng)穩(wěn)定，電流沖擊小，控制效率高。（2 ）dcdc升壓變換器單元在ths中，蓄電池組通過逆變器直接與電機(jī)和發(fā)電機(jī)相連；而在ths ii中，蓄電池組輸出的電壓首先通過dc-dc升壓變換器進(jìn)行升壓操作，然后再與逆變器相連，因此逆變器的直流母線電壓從原ths的202v提升為現(xiàn)在的500v。 prius thsii可變壓系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖 prius ths與ths ii直流供電方式比較這種系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于電機(jī)的最大輸出功率能力是與直流母線電壓成正比的，因此與原ths系統(tǒng)的202v供電工況相比，在不增加驅(qū)動(dòng)電流的情況下，ths ii系統(tǒng)中電機(jī)在500v供電時(shí)，其最大輸出功率以及轉(zhuǎn)矩的輸出能力是原ths系統(tǒng)的2.5倍；此外相同體積的電機(jī)，還能夠輸出更高的功率；（2）由于使用了直流母線供電電壓可變系統(tǒng)，因此ths ii可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)際需要，自由的調(diào)節(jié)直流母線供電電壓，從而選擇最優(yōu)的供電電壓，達(dá)到減少逆變器開關(guān)損耗以及電動(dòng)機(jī)銅損的節(jié)能目的；（3）對(duì)于供電電壓一定的蓄電池組來說，由于可以通過調(diào)整升壓變壓器的輸出電壓的方式，來滿足電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的實(shí)際需要，因此從某種程度上講，可以減少蓄電池的使用數(shù)量，降低整車質(zhì)量。(3)dc-dc降壓變換器單元 prius選用了14v蓄電池組作為諸如控制計(jì)算機(jī)、車燈、制動(dòng)器等車載電氣設(shè)備的供電電源，而對(duì)該蓄電池的充電工作則由直流202v通過一個(gè)dc-dc降壓變換器來完成的. 14v蓄電池充電用dc-dc變換器三、電力電子技術(shù)在其他機(jī)械裝置中的應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一，廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等。如今直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没渲饕攸c(diǎn)是：a、常規(guī)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便。b、動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整方便。c、系統(tǒng)可以方便的設(shè)計(jì)監(jiān)控、故障自診斷、故障自動(dòng)復(fù)原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性。d、可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能。e、可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度。f、：容易與上一級(jí)計(jì)算機(jī)交換信息。g、具有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信的功能。四、 結(jié)束語本文結(jié)合豐田汽車公司的最新一代混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，綜述了電力電子技術(shù)在混合電動(dòng)汽車中的應(yīng)用情況，并且以直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化來簡(jiǎn)略介紹電力電子系統(tǒng)在采礦機(jī)