带你进入特种电源技术的应用和发展趋势_特种电源_电源资讯_高压电源,脉冲电源,高压脉冲电源-苏州聚永达电子科技有限公司

特种电源一般是为特殊负载或场合要求而设计的,它的应用十分广泛.主要有:电镀电解、阳极氧化、感应加热、医疗设备、电力操作、电力试验、环保除尘、空气净化、食品灭菌、激光红外、光电显示等.而在国防及军事上,特种电源更有普通电源不可取代的用途,主要用于:雷达导航、高能物理、等离子体物理及核技术研究等.

可见特种电源就是运用电力电子技术及一些特殊手段,将发电厂或蓄电池输出的一次电能,变换成能满足对电能形式特殊需要的场合要求而设计的电源.本文仅就具有广泛代表性的几种特种电源作一下

高压电源

20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命,即20Hz的开关频率结合脉宽调制技术(PWM)在电源领域的应用.到目前为止,电源的频率已经达到数百Hz,应用先进的准谐振技术甚至可以达到兆Hz水平.提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积,进而缩小高压电源体积.高频化使高压电源体积大幅度的减小,轻巧便携,实用性和使用方便性明显得到改善.

近几年,随着电子电力技术的发展,新一代功率器件,如MOSFET,IGBT等应用,高频逆变技术的逐步成熟,出现了高压开关直流电源,同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是:效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短.由于它的优越特性,现在已逐渐取代了传统的高压线性直流电源.

高压直流电源发展中的问题和难点.随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌现,并不断地被应用于开关电源,使得开关电源的性能不断提高,特点不断更新,出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性.现代的高压开关直流电源有两大技术特别突出. #p#

一、关键功率新部件的应用:

1、快速转换器件,像晶体管、功率MOSFETS、IGBTS、SCRS等;

2、低功耗、高性能,适用于高频的新型变压器铁心材料的应用,比如铁氧体、非晶材料等;

3、低耗散因素的大容量电容的发展和应用;

4、低前向电压降的快速整流器应用等.

二、先进变换技术的发展:

1、零电流串联和并联谐振开关技术(即ZCS);

2、零电压LCC谐振逆变技术(即ZVS);

3、软开关和相控谐振技术;

4、正反激励和推挽逆变器技术.

三、伴随着高新技术的逐步应用,新的技术问题也随之出现,主要表现在高频化可以提高电源性能,减少变压器的体积和纹波系数.但由于高频高压变压器是高频高压并存,出现了新的技术难点:

1、高频高压变压器体积减小,频率升高,分布容抗变小,绝缘问题异常突出;

2、大的电压变化比使变压器的非线性严重化,漏感和分布电容都增加,使其必须与逆变开关隔离,否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作,甚至会击穿功率器件;

3、高频化导致变压器的趋肤效应增强,使变压器效率降低.

鉴于上述情况,高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题.最近出现的平面变压器在设计理念上不同于传统的设计方式,普通平面变压器已经投入生产和应用,如果高频高压变压器也能平面化,将会再次大大缩小电源体积,提高其工作效率.

四、由于高压电源的频率很高,导致功率开关器件开断频繁,能耗增大,这就对逆变器的拓扑结构应有所选择.采用软开关和同步整流技术,可有效降低伴随高频化带来的损耗.同时采用逆变器和准谐振电路相结合的技术,通过电压或电流的谐振,使开关打开或断开时电压或电流为零,使能耗大大减小.为了减少变压器漏感的不利影响,可以将变压器漏感作为逆变器的一部分,即逆变--谐振--变压器漏感,用一体化思想进行整体设计.

五、在控制检测部分,高频高压开关电源采用了数字集成电路(IC),而不像线性电源完全是模拟电路.开关电源以模拟方式控制输出电压,以数字方式进行开关操作,高精度而稳定地输出电压.采用数字控制技术,可进行连续和不连续模式的转换,采用PWM(脉宽调制技术)和PFM(频率调制技术),和DC-DC(直流--直流)变换器、逆变器等技术,出现了强电弱电间的相互影响加强.检测部位的高压电压(近10kV),对后续的电子元器件(精密电阻等)提出了更高的性能要求. #p#

脉冲电源技术

脉冲电源,是本世纪30年代产生,60年代以来迅速发展,并逐渐形成一门独立学科的新兴技术领域.高功率脉冲电源则是为脉冲功率装置提供电磁能量的电源,构成了脉冲功率装置的主体,几乎包含了脉冲功率装置的全部.高功率脉冲电源要实现小功率能量输入、能量压缩放大再输出.通常把在时间10-9~103秒内产生106~109焦耳能量,脉冲功率达106~1014瓦的电脉冲装置定义为高功率脉冲电源.

高功率脉冲电源技术以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点,是一个综合电机电器、高电压工程、变流技术、电力电子学、精密电气测量、自动控制、继电保护、接地技术与电磁兼容的多专业交叉的综合性学科.其在核爆炸模拟、受控核聚变试验、强流粒子束加速器、高功率脉冲激光器、高功率微波、定向能武器、电磁发射、电磁推进、电磁成形、材料表面处理及半导体离子注入等近代科学、国防科研和高技术领域有着重要的科学意义与应用价值.同时正在大力开辟新的应用领域,在诸如污水、废气和各种有害物质的处理等环境保护方面有着广阔的前景.

高功率脉冲电源的核心技术问题是研究高储能密度(kJ/kg)和高功率密度(kW/kg)的脉冲功率储能系统,而且要求脉冲放电波形可控性好、内阻小以满足不同负载的需要,同时要求脉冲重复性好,系统构成简单,因此提高储能密度、提高重复频率、使电源轻量化、小型化和实用化是其未来的发展方向.

西方工业发达国家正在花大力进行研究以提高各种储能系统储存能量的能力.

在电化学储能方面,美国和日本研究发展高功率密度蓄电池以弥补该储能系统功率密度低的缺点,美国的锂金属琉化物蓄电池功率密度达到了200kW/kg,日本采用钠琉化物也取得了较好的效果,但蓄电池的发热和密封是一个尚待解决的问题.

在发展高储能密度电容器方面,主要方向一个是发展高强度电介质电容器,另一个是发展电解质电容器,目前这两种电容器均达到十几kJ/kg的数量级水平,未来五年内力图突破储能密度30kJ/kg.

在机械储能方面,有直流发电机、同步发电机、单极发电机、高性能盘式交流电机、补偿脉冲发电机、旋转磁通压缩机,应根据不同的负载选择发展不同的惯性储能方式.

高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机

电源的发展方向.由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景.

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法.50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用.

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题.采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性.

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60-75V,电流调节范围5-300A,重量29kg.

中高频电源技术#p#

我国感应加热用中高频电源从无到有,经过了上述的四个发展阶段已在国内形成很大的规模,并已用于冶金、电力、石油、化工、电子等行业的焊接、淬火、熔炼、透热、保温等领域,其发展现状可以概括为以下几点:

(1) 以晶闸管为主功率器件的感应加热中频电源已覆盖了工作频率为8kHz以下的所有领域,其单机功率容量分50、160、250、500、1000、2000、2500、3000kW几种,工作频率有400Hz、1kHz、2.5kHz、4kHz、8kHz几种.

(2) 中频电源中三相全控整流桥的触发器已告别了分立器件构成的多块板结构,现多为集脉冲形成、保护、功率放大、脉冲整形于一体的单一大板结构(内含逆变桥的脉冲产生与功放和调节器).

(3) 中频电源中三相整流桥的晶闸管触发脉冲产生已从应用同步变压器,现场调试需对相序的控制模式逐步向不用同步变压器的具有相位自适应功能的触发器过渡.

(4) 晶闸管中频电源的启动方式已从撞击式起动、零压起动、内外桥转换起动过渡到扫频起动,其控制技术已从电压或电流闭环调节进步到恒功率控制,从而使中频电源的控制效果更好,提高了用户使用的效率.

(5) 中频电源用快速晶闸管的单管容量已达2500A/2500V,其最短关断时间已达15μs,与中频电源配套的无感电阻高频电容等制造技术得到了长足的进步,为晶闸管中频电源的制作带来了极大的方便.

(6) 晶闸管中频电源的零部件及配套件如散热器、熔断器、电抗器、控制板已标准化、系列化、批量生产化、给晶闸管中频电源的制造商及维护人员带来了极大的方便.

(7) MOSFET和IGBT等全控型电力半导体器件的容量已日益扩大,既奠定了中高频电源的器件基础,与IGBT及MOSFET配套的驱动器和保护电路已系列化和标准化,给中高频和超音频感应加热电源奠定了基础和保证,带来了极大的方便.

(8) 在国内单机容量在500kW以上的感应加热中频电源基本上是清一色的晶闸管电源,但工作频率最高不超过8kHz,容量最大已达4000kW,国内有些企业正在开发单机容量达6000kW的晶闸管中频电源,以IGBT和MOSFET为主功率器件的中高频电源,在国内已有批量生产的企业,但生产量相对晶闸管中频电源来说还是很少,其单机容量在200kW以内,工作频率基本上都在20kHz~200kHz范围,超过20kHz的中高频电源基本上都是应用MOSFET,由于MOSFET到今仍然难以制作出同时满足高电压、大电流的条件,所以不得不采用多个MOSFET并联的方案,从目前使用的实际情况来看,有直接将MOSFET并联,再逆变获得较大功率输出;也有直接将MOSFET构成逆变桥,再多个逆变桥并联的;应特别注意两种实现方法都有均流的问题,后者不但有数个逆变器并联均流的问题,而且有数个逆变桥输出同相位、同幅值并联的问题,同时这种方案造成控制系统有多个控制单元.

(9) 现中高频感应加热中频电源的冷却方式清一色为水冷却,应用水压继电器的居多,存在着水管堵死,水压很高,但不能冷却的问题,这很容易造成器件的过热损坏,所以保护方案总的来说存在着不足,应增加流量继电器的保护与水压继电器配合使用.

带你进入特种电源技术的应用和发展趋势

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