时间：2022-06-01 02:57:34
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电力电子器件论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：发展趋势技术创新器件开发应用推广
1概述
自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。论文百事通
2电力电子器发展回顾
整流管是电力电子器件中结构最简单，应用最广泛的一种器件。目前已形成普通型，快恢复型和肖特基型三大系列产品，电力整流管对改善各种电力电子电路的性能，降低电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美国通用电气GE公司研制出第一个工业用普通晶闸管开始，其结构的改进和工艺的改革为新器件开发研制奠定了基础，在以后的十年间开发研制出双向，逆变、逆导、非对称晶闸管，至今晶闸管系列产品仍有较为广泛的市场。
1964年在美国第一次试制成功了0.5kV/0.01kA的可关断的GTO至今，目前以达到9kV/0.25kA/0.8kHz的可关断的GTO至今，目前以达到9kV/2.5kA/0.8kHZ及6kV/6kA/1kHZ的水平，在当前各种自关断器件中GTO容量量最大，但其工作频率最低，但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，因此它在中压、大客量领域中占有一席之地。70年代研制出GTR系列产品，其额定值已达1.8kV/0.8kA/2kHZ，0.6kV/0.003kA/100kHZ，它具有组成的电路灵活成熟，开关损耗小、开关时间短等特点，在中等容量、中等频率的电路中应用广泛，而作为高性能，大容量的第三代绝缘栅型双极性晶体管IGBT，因其具有电压型控制，输入阻抗大、驱动功率小，开关损耗低及工作频率高等特点，其有着广阔的发展前景。而IGCT是最近发展起来的新型器件，它是在GTO基础上发展起来的器件，称为集成门极换流晶闸管，也有人称之为发射极关断晶闸管，它的瞬时开关频率可达20kHZ，关断时间为1μs，dildt4kA/ms，du/dt10-20kV/ms，交流阻断电压6kV，直流阻断电压3.9kV，开关时间<2ks，导通压降3600A时，2.8V，开关频率>1000Hz。
3电力电子器件发展趋势
进入90年代电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，也就说，当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性能亦大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。日本新电元公司的IPM智能化功率模块的主要特点是：新晨
3.1它内部集成了功率芯片，检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简。
3.2其功率芯片采用的是开关速度高，驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护。
论文摘要 在人类所利用的能源当中，电能是最清洁最方便的；电气传动无疑有着很大的意义，随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术也得到了长足的发展。本文在对大量国内外文献分析的基础上，总结和论述了我国在电力电子和电力传动系统领域的研究现状。
从学术的角度来看，电力电子技术的主要任务是研究电力电子器件（功率半导体）设备，转换器拓扑结构，控制和电力电子应用，实现电力和磁场的能量转换、控制、传输和存储，以便实现合理和有效使用的各种形式的能源，高品质的人力的电力和磁场的能量。
1 电力电子的研究方向
就目前情况而言，我国电力电子的研究范围与研究内容主要包括：1）电力电子元器件及功率集成电路；2）电力电子变换器技术的研究主要包括新的或电力能源的节约和新能源电力电子，军事和空间应用等作为特殊的电力电子转换器技术的智能电力电子变换器技术，控制电力电子系统和计算机仿真建模；3）电力电子技术的应用，其研究内容包括超高功率转换器，在能源效率，可再生能源发电，钢铁，冶金，电力，电力牵引，船舶推进应用，电力电子系统的信息化和网络；电力电子系统的故障分析和可靠性；复杂的电力电子系统的稳定性和适应性；4）电力电子系统集成，其研究内容包括标准化电力电子模块；单芯片和多芯片系统设计，集成电力电子系统的稳定性和可靠性。
2 我国电力电子发展中存在的问题
当前的主要问题是：中国的电力电子产品和设备目前生产的大部分是也主要是晶闸管，虽然它可以创造一些高科技电子产品和电气设备，但他们都使用电力电子外国生产设备和多组分组装集成的制造方法，尤其是先进的全控型电力电子器件全部依赖进口，而许多关系到国民经济和国家安全，在一些关键领域的核心技术，软件，硬件和关键设备，我国的外资控制和封锁。特别是在关系国民经济和国家安全，更多先进水平的核心技术差距的关键领域，这种情况正在迅速变化的挑战和我们的道德律令。
在过去，虽然我国国民经济的各个部门，先后引进了国外先进技术，已开始注意到国内突出的问题，从表面上看，虽然对引进技术的绝大多数可以在几年后达到国产化率70％的要求，但只要仔细分析，不难发现，并最终拒绝外国公司转让技术和关键部件，都涉及到高科技的电力电子技术和动力传动产品在核心技术。
目前国外和问题的主要区别是：电力电子器件的全面控制，不能制造国内制造的高功率转换器，低技术，设备可靠性差，电力电子数字控制技术水平仍处于初级阶段；应用程序的控制技术和系统控制软件的水平较低；缺乏经验的重大项目等。高性能高功率转换器设备几乎全部从国外进口。
3 电力传动系统的发展现状分析
目前我国电力传动系统的研究主要围绕交流转动系统展开，随着交流电动机调速理论的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，电动机的调速从直流发电机-电动机组调速、晶闸管可控整流器，直流调压调速逐步发展到交流电动机变频调速。交流传动系统之所以发展得如此迅速，和一些关键性技术的突破性进展有关。它们是功率半导体器件（包括半控型和全控型）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术。为了进一步提高交流传动系统的性能，国内有关研究工作正围绕以下几个方面展开：
1）输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径
高性能交流驱动系统电压型PWM逆变器中的应用日益广泛，PWM技术的研究更深入。 PWM功率半导体器件采用高频开启和关闭，成为一个在一定宽度的电压脉冲序列法律的变化，为了实现频率，变压器，有效地控制和消除谐波的直流电压。 PWM技术可分为三类：正弦PWM，优化PWM及随机PWM。正弦PWM的电压，电流和磁通正弦PWM计划的目标包括。正弦PWM普遍提高功率器件的开关频率将是一个非常出色的表现，在中小功率交流驱动系统等被广泛使用。但为大容量的电源转换设备，高开关频率将导致大的开关损失，以及高功率设备，如GTO的开关频率仍不做的非常高的在这种情况下，在最佳的PWM技术只是满足的需求该设备。
2）应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论
交流电机交流驱动系统是一个多变量、非线性、强耦合、时变控制对象，变频调速控制，电机控制的稳定状态方程的研究动态控制非常令人满意的结果的特点。 70年代初提出研究交流电机的控制过程的动态，不仅要控制每个变量的振幅，而控制的阶段，为了实现交流电机磁通和转矩的解耦矢量变换方法，促使高性能交流驱动系统逐渐向实际使用。高动态性能的电流矢量控制变频器已成功应用于轧机主传动，电力牵引系统和数控机床。此外，为了解决系统的复杂性和控制精度之间的矛盾，但也提出一个新的控制方法，如直接转矩控制，方向控制电压，特别是与微处理器控制技术，现代控制理论在各种控制方法也得到了应用，如二次型性能指标最优控制和双位模拟调节器控制，可以提高系统的动态性能，滑（滑模）变结构控制可以提高系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以得到状态信息不能测量，自适应控制能够全面提高系统的性能。此外，智能控制技术，如模糊控制，神经网络控制，也开始在交流变频调速驱动系统用于提高控制精度和鲁棒性。
3）广泛应用微电子技术
随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor——DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成的全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。
4 结论
虽然我国电力电子与电力系统传动系统技术得到了长足的发展，但与发达国家相比仍然存在较大差距，许多关键技术有待突破，关键部件还长期依赖进口的局面还没有打破。
参考文献
论文摘要：电力电子技术正在不断发展，新材料、新结构器件的陆续诞生，计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持，在各行各业中的应用越来越广泛。电力电子技术在电力系统中的应用研究与实际工程也取得了可喜成绩。
1前言
电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电（HVDC）。自20世纪80年代，柔流输电（FACTS）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。
2电力电子技术的应用
自20世纪80年代，柔流输电（FACTS）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。
2.1在发电环节中的应用
电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。
2.1.1大型发电机的静止励磁控制
静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。
2.1.2水力、风力发电机的变速恒频励磁
水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速变随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。
2.1.3发电厂风机水泵的变频调速
发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。
2.2在输电环节中的应用
电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。
2.2.1直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDCLight）技术
直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。
2.2.2柔流输电（FACTS）技术
FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。
20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。2.3在配电环节中的应用
配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力（CustomPower）技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。
2.4在节能环节的运用
2.4.1变负荷电动机调速运行
电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。
变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30%左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。
2.4.2减少无功损耗，提高功率因数
在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。
1.分析电路尽量使用多媒体。
电力电子技术的核心就是整流、逆变、斩波和交交变换四大基本电路，在电路工作过程的分析中，通常一个电路都有多个工作状态，不同的工作状态又分别对应着不同的电压电流波形，也就是说电路的工作过程往往都是动态的过程，而传统的书本上的文字和原理图是无法很好地展现动态过程的。这时，如果采用幻灯片等多媒体形式，可以将电路工作的动态过程很好地展现给学生们观看，把书本上静态的电路以及波形图动起来，这样就能够让学生们更好地理解电力电子电路的工作过程。与此同时，结合书本上的理论，再将不同电路的特点进行总结，使同学们复习时结合着书中的理论，头脑中联想着多媒体演示动画，便会在学习中事半功倍，容易记忆，提高学生的分析计算和实际解题的能力。
2.器件与控制部分应注重练习。
电力电子器件及控制部分具有覆盖面大、定性与定量相结合的特点，学好这一部分，就必须将概念的理解与相关的计算进行练习，在习题式的教学中，不断提高分析问题和解决问题的能力。研究生阶段，各高校几乎很少带领学生做与课程相关的习题，多数学生也只有在考试的时候才有机会在试卷中解答一些问题，虽说现在不提倡传统针对考试的题海战术，但是平时适当做一些典型的练习还是有必要的，电力电子器件种类多、特点各不相同，而控制方法也有很多，甚至与自动控制原理等其他学科相关联，在教学中适当找一些典型例题进行讲解，可以让同学们在繁杂的知识中抓住重点内容进行突破，最终掌握这部分知识要点。
3.学生自主参与新技术教学。
电力电子技术具有发展速度快的特点，新的技术和应用领域不断出现，加强电力电子新技术的教学可以扩展学生知识面，掌握电力电子技术发展新方向。这一部分的特点是没有定量计算、难度不大、但对于资料的收集工作量比较大，根据这些特点，在教学中，可以将这部分安排给每个学生进行讲解，在讲解前每个同学查找相关资料，然后对资料进行分类总结，加入自己的理解，在讲解过程中既可以使用多媒体也可使用板书的形式，讲解后学生之间可以相互提出问题，相互讨论，形成良好的研究氛围。在这种学生自主教学的过程中，既提高了学生查找资料的能力，也能提高学生的概括的创新能力，还为研究生毕业学术论文的撰写提供了相关的经验。
二、实验教学应进行分类
电力电子技术是一个应用性很强的一门学科，在理论教学的同时一定要有相应的实验来配合和补充，开设实验课是对理论课的延伸和补充，更能够突出应用型学科的特色。在实验教学上，应分为验证实验、探究实验、拓展实习三个部分进行教学。
1.验证实验应紧密结合课本。
验证性实验的特点是对已经有的理论进行实验验证，与学生的理论教学紧密衔接，通过书上的理论来指导实验的操作，同时实验的结果又可以加深学生对于书本理论的深度理解。在理论课程之后，应当有相应的实验课程相跟进，在实验开始前，老师带领学生对课本知识点进行回顾，确定实验目的和实验步骤，同学们按照实验要求完成相应的实验操作，并能够运用书本上的知识来解释实验中的现象，最后通过实验报告的形式进行总结，得出验证性的结论。
2.鼓励开展探究性试验。
电力电子技术是一门正在快速发展的学科，在实验教学中，应当鼓励学生进行自主探究，通过对已有知识的学习让学生们充分发挥想象力，制作一些相关的小制作、小发明，在探究性试验的过程中培养学生的创新能力。学生根据自己掌握的知识，结合当今电力电子发展的前沿技术，加上自己的想象力和创造力，独立设计出属于自己的电子作品，而在探究的过程中难免会遇到一些问题，这时老师应进行适当指导，给出一些方案，让学生自主解决实际问题。平时尽可能地开放实验室，使学生增加动手操作机会。此外还应当鼓励学生参加“挑战杯”等科技比赛，增加在创新方面的交流合作，从而学会更多解决问题的新方法。
3.拓展实习应突出实际应用。
在传统的教学环节之外，对于电力电子技术这种应用型很强的学科，应适当组织学生到某个单位进行参观学习。学习的目的是为了应用，当今电力电子技术已经应用在了许多领域之中，在实验教学中可以联系某个具体单位进行参观，在实际的生产过程中，让学生们更加具体地了解电力电子技术的应用。除了参观之外，也可由老师或者学生找一些与电力电子技术应用相关的视频资料，分享给大家进行观看，也可以起到非常好的效果。实习结束之后，学生以报告的形式写出自己学到了什么或者是心得体会。这样，理论联系实际，对于理工科的教学是有很大帮助的。
三、总结
科研团队：瞄准前沿，勇于超越
“大功率电力电子技术”课题组依托于武汉大学电气工程学院，主要从事配电系统内适用于节能和电能质量控制的大功率电力电子装置的开发和应用研究。该课题组在查晓明教授的带领下，几年如一日地在大功率电力电子技术领域辛勤耕耘，至今已发展成为一个拥有1名副教授、3名讲师、1名在站博士后、10名博士研究生、10名硕士研究生的优秀科研团队。
课题组成立以来始终坚守“基础理论研究与工程应用实践并重”的原则，行走在电力科技领域的前沿，充分发挥自身的优势，依靠武汉大学丰富的科研与教学资源，与国内多家企业以及电力公司保持良好和持久的合作往来，在大功率电力电子变换装置及其应用系统等领域取得了良好的成绩。在大功率电力电子系统的控制理论上，他们建立了以多电平PWM电力电子变流器功率变换器控制为基础的大功率电力电子系统控制理论和方法。该方法把电力电子技术中的功率变换控制特点与系统应用要求进行有效结合，实现了大功率电力电子系统的并网有功和无功电流控制、电能质量控制以及并联或串联逆变器拓扑结构中的直流侧电压的稳压和均衡控制，并成功地在有源电力滤波器、STATCOM等装置中得到应用。而从该系统的控制技术角度出发，他们又建立了以DSP与FPGA相结合的数字控制硬件平台，开展了各种电力电子系统的数字控制算法的应用研究，并在该硬件平台上充分利用了FPGA近似布线逻辑的并行计算和高可靠性的特点，克服了单独DSP系统程序控制易受干扰中断问题，进而将两者结合并对有关控制算法进行分解，实现了串行和并行计算的结合，形成了一种具有高可靠性的控制算法实现方法。目前，基于该硬件平台的有源滤波器控制算法、STATCOM控制算法、逆变电源控制算法以及高压变频器的V／f控制算法均可在其中实现。
其次，就大功率电力电子器件IGBT的驱动技术而言，课题组以M57962模块为核心，自行研制的高电磁兼容能力的辅助开关电源为IGBT驱动电源，不仅实现了可靠和完善的过流保护、可靠的IGBT通断检测功能，而且还可以辅助抗瞬态电压冲击电路，具有可编程功能，提供了有效的光纤接口。此外在大功率电力电子装置的设计和试验技术上课题组有其专攻之道，基于频域能量变换模型的电力电子设计理论和方法也正在发展之中，逆变器专用高频大电流电抗器设计与制作、电力电子系统实时仿真等方面都有其独到之处。
通过对大功率电力电子电路的拓扑结构研究，课题组完成了基于功率单元级联的多电平拓扑结构及其在STATCOM和高压变频器中的应用，并在混合式有源电力滤波器、多台逆变器并联的有源电力滤波器、四象限运行的PWM变流器、程控交流调压电源逆变器以及具有综合节能特点的工业企业新型配电电源系统中形成了独具特色的理论研究。“基于α－β坐标变换的有源电力滤波器和STATCOM技术”、“低能耗的逆变器试验平台”、“通用电力电子试验平台及试验方法”等已获专利授权，“先进的电能质量试验电源技术”也正在专利申请之中。
在实践的过程中，他们不仅积累了丰富的工程经验，而且形成了一套独特的科研方法和理念。谈及自己的课题组，查晓明教授颇为自豪地介绍“多年来，我们主要在大功率电力电子系统的控制理论和技术研究、大功率电力电子器件IGBT的驱动技术、大功率电力电子电路的拓扑结构研究以及大功率电力电子装置的设计和试验技术上做了一系列的工作，较好地解决了复杂大功率电力电子系统及其应用的可靠性和性能方面存在的问题。这些成果都取得了良好的经济效益和社会声誉。目前，高压变频器已经成功产业化，直接产生了数亿元的经济效益，有源电力滤波器，STATCOM等产品逐步在工业电力系统中得到推广应用。”
学术灵魂：拓新求真，携手并进
作为“大功率电力电子技术”课题组的“灵魂人物”，查晓明教授有着丰富的求学经历：他分别于1989年，1992年，2001年取得武汉大学应用电子技术专业工学学士、电力电子技术专业硕士，电力系统及其自动化专业博士学位：2001年10月至2003年6月，他远赴加拿大的University of Alberta做博士后研究。一直以来，他主要从事电力电子与电力传动学科的教学与科研工作，主要研究方向为电力电子系统的分析与综合理论，大功率电力电子装置及其在电能质量控制，高压电机驱动、柔性输电、新能源及微电网技术中的应用，并取得了骄人的成绩。如今，年仅42岁的他，身上已是围绕着多重的“光环”――武汉大学电气工程学院教授，博士生导师，电力电子技术研究所所长，IEEE会员，武汉电源学会副理事长，从教学到科研、从行政到学术，无不显示出他的忙碌与充实。在科研上，他硕果累累，先后在国内外重要会议和期刊上40多篇，其中三大检索收录20篇：他主持和参加了国防“973”项目专题、武汉市科技攻关项目、国家电力公司青年科技促进费项目，武汉市青年晨光计划项目、国家自然科学基金以及多项企业产品开发项目，在电能质量控制、新能源并网控制以及电气节能等方面取得多项高新技术产品与成果，并获发明专利4项、实用新型专利3项。
查晓明教授无疑是成功的，然而他并不满足于个人的荣誉和成就，而是更注重整个课题组的前进与发展。他总是这样告诫课题组内的每一个年轻教师，博士和硕士研究生，科学研究需要的是锲而不舍的精神，工程应用需要的是严谨求实的精神，理论研究和实践应用总是相伴而生、相辅相成的。无论是物理学中的力学、电磁学还是数学分析方法，无论是电机、电力系统还是系统分析与控制理论，对每一个求学的研究生来说，都是必须具备的知识。只有这样，才能在工程应用中把握住每一个细小的环节，从中提炼出真正的科学问题，从而开展真正的科学研究工作。也基于此，查晓明教授的书桌上总是堆满了经典力学，电动力学、微分几何等书籍，并且常常向很多前辈请教学术问题，甚至经常性地和研究生们一起探讨电力电子装置能量转换的物理过程。
关键词：电力电子技术；开关电源
现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具 体应用。
当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。
1. 电力电子技术的发展
现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
1.1 整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2 逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。
1.3 变频器时代
进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2. 现代电力电子的应用领域
2.1 计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会，同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展，提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源，根据美国环境保护署l992年6月17日"能源之星"计划规定，桌上型个人电脑或相关的外围设备，在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦，就符合绿色电脑的要求，提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言，电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将整流器称为一次电源，而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同，在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块，从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压，这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。
2.4 不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流，经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，电源的噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速，已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5 变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器， 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期，日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年，其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调，96年引进生产线生产变频空调器，逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外，还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略，精选功能组件，是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6 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。
2.7 大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV，电流达到0.5A以上，功率可达100kW。
自从70年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压。进入80年代，高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。在电阻负载条件下，输出直流电压达到55kV，电流达到15mA，工作频率为25.6kHz。
2.8 电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时，将向电网注入大量的谐波电流，引起谐波损耗和干扰，同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象，即所谓"电力公害"，例如，不可控整流加电容滤波时，网侧三次谐波含量可达(70~80)%，网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置，能克服传统LC滤波器的不足，是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9 分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件，利用最新理论和技术成果，组成积木式、智能化的大功率供电电源，从而使强电与弱电紧密结合，降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力，提高生产效率。
八十年代初期，对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期，随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现，结合大规模集成电路和功率元器件技术，使中小功率装置的集成成为可能，从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始，这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点，论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳，也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合，如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3. 高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高顿开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1 高频化
理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5~l0%。无论是逆变式整流焊机，还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造， 成为"开关变换类电源"，其主要材料可以节约90%或更高，还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。
3.2 模块化
模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了"智能化"功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。这样，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求， 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供充分的时间。
转贴于 3.3 数字化
在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术 拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说，模拟技术还是有用的，特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源，需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。
3.4 绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电， 这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。
总而言之，电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，仅国内有20多亿人民币的市场需求，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献：
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[2]季幼章:迎接知识经济时代，发展电源技术应用， 电源技术应用，N0.2，l998。
关键词：软启动，选型，探讨
“软启动”设备在煤矿井下已得到广泛的使用，如CST、恒充式和阀控充液式液力偶合器、调速型液力偶合器、变频软启动、高压软启动、变极调速等。本文将从“软启动”设备的类型、性能特点以及国内“软启动”设备调研情况出发，阐述适应煤矿井下条件的“软启动”类型，目的是选择合适的技术，既讲求实效，又节电增益，确保设备的安全运转。
1.“软启动”是煤矿大型、重型设备启动的必然要求
近年来，为适应复杂矿区的煤层开采条件，设备选型朝大型化、重型化方向发展，逐步实现“设备现代化，系统自动化，管理信息化”。因此，随着装机功率、装备水平的提高，起动问题将成为设备选型的关键问题，“软启动”也必将成为设备选型的唯一选择。
所谓的“软启动”实际上就是对设备的启动过程进行控制，按其预定的、合理的启动加速度启动。例如，输送胶带机启动，由公式：
FQ=FZ+∑M·a
FQ————启动时输送机的圆周力
FZ————正常运行时输送机的圆周力
∑M———输送机总的等效质量（包括其上的货物）
a—————启动加速度
由上式可见，启动加速度大，启动时的圆周力越大。启动所需的功率越大，传动系统本身所受到的启动冲击越大，对关键零部件破坏力就越大。使用“软启动”技术，启动加速度可以得到很好的控制，以上不利因素都可得到有效避免，设备的故障率大大降低，同时供电系统的启动条件、保护条件都容易得到满足。设备的装机功率越大，设备对“软启动”要求就会越强烈。因此，“软启动”是煤矿大型、重型设备启动的必然选择。
2.“软启动”设备类型分析
国内外采用的两种“软启动”类型：一种是调节偶合器转速，即机械“软启动”；另一种是调节电机转速，即电气“软启动”。因电气“软启动”控制的是电机，因此系统得以简化。
2.1机械“软启动”装置
2.1.1恒充式液力偶合器
恒充式液力偶合器代表产品为福伊特恒充式液力偶合器。其主要部件为两个叶轮——泵轮和涡轮，以及外轮壳。两个叶轮相向安装，动力传动部件间没有机械接触，动力传动实现最小的机械磨损。偶合器内有恒定容积的工作液体，通常为矿物油。驱动电机输出的转矩在与之相连的泵轮中转变成工作液体的流动能量，然后在涡轮中将这种流动能量重新转变成机械能。力矩的建立取决于偶合器的特性曲线，同时启动特性受到适当组合的补偿腔(延充腔，侧辅腔)的影响。
2.1.2阀控充液式液力偶合器
其代表产品为福伊特阀控充液式液力偶合器，原理同恒充式液力偶合器，结构上它减少“延充腔，侧辅腔”，增加了充液阀和进液阀，用充进阀来控制偶合器内部的水量和水交换，从而能平稳而迅速地建立力矩。
2.1.3调速型液力偶合器
调速型液力偶合器和以上两种的原理基本相同，只是偶合器腔体内液体量的调节方式不一样，调速型液力偶合器选用油作传递动力的液体，采用导流管（勺杆）机构位置变化来调节腔体内液体量的多少，从而达到调速的目的。
2.1.4液粘型“软启动”装置
液粘型软启动装置是根据液体粘性传动原理设计的传动装置。
液粘离合器功率传递的主体部件是两组彼此穿插的摩擦片，油从其中强制通过。论文格式。两组摩擦片中的一组称主动摩擦片（主动摩擦片可以轴向移动），与输入轴接连，另一组称从动磨擦片，与输出轴连接，通过控制离合器工作活塞的油压来改变两组摩擦片（对偶片）的间距，从而增减它们之间的粘着力，完成液粘离合器的调速功能。
2.1.5 CST“软启动”装置
CST主要由一级普通斜齿轮传动加一级行星齿轮减速机构、液体粘性制动器、传感器以及液压驱动装置等机械和电子部件组成。
这种“软启动”装置与减速箱合二为一，它利用了行星差动轮系特点，将内齿圈作为第二个输入主动件，用液粘制动器（同液粘软启动装置中的液粘偶合器）来控制内齿圈的转速，从而控制输出轴的转速。
2.2电气“软启动”装置
2.2.1变极“软启动”装置
这种软启动就是使用多极（多速）电机，采用多回路组合开关，优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易维护，对电网干扰小，初始投资低。但它不能实现平滑调速，只能分级调速，从而限制了它的使用范围。
2.2.2调压“软启动”装置
从电机原理知道，异步电机的转矩在一定转差率下，与定子电压平方成正比，改变定子电压就可以改变电动机的机械特性，从而实现调速。论文格式。目前广泛使用可控硅交流开关实现连续调压。尽管这种软启动采用了先进的数字控制技术，使系统控制精度提高，抗扰能力增强，但转子损失大将限制这种调速方法的使用。
2.2.3变频“软启动”装置
变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的，在综采综掘系统中，应用最广的交－直－交变频器，它是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经整流成直流，再由电力电子器件逆变为电压和频率可调的交流电源，整个变频装置称为变频器。
3.几种“软启动”装置的性能比较
3.1机械与电气“软启动”装置的性能比较
机械“软启动”CST最具有代表性，电气“软启动”调压和变频最具有代表性，因此，将最具代表性的“软启动”放在一起，见下表。
关键词：FPGA SA4828波形发生器 三相交流异步电动机 变频调速 SPWM
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0127-02
所谓变频就是利用电力电子器件（如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT）将50 Hz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频（又称交-交变频）和间接变频（又称交-直-交变频），后者又分为谐振变频和方波变频。方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波（调制波）与三角波（载波）比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等[3]。
本设计所设计的题目属于间接变频调速技术。它主要包括整流部分、逆变部分、控制部分及保护部分等。逆变环节为三相SPWM逆变方式。
1 系统简介
1.1 交流异步电动机
三相异步电动机主要由定子和转子两大部分构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙，以保证转子的自由转动。异步电动机结构如图1所示。
1.2 SPWM技术
SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技术，即在PWM的基础之上，改变调制脉冲的方式。脉冲宽度和时间占空比按正弦规率变化，这样输出波形经过适当的滤波就可以做到输出正弦波。
产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波（称为载波）与一个正弦波（称为调制波）进行比较，如图2所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时刻。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。
2 系统的硬件实现
基于FPGA的交流异步电动机的变频调速系统，以FPGA为核心控制芯片，利用SA4828芯片产生SPWM波，再通过驱动电路驱动逆变开关。再加上电路，保护电路等，构成整个完整系统。
本设计为交流异步电动机的变频调速，主要涉及主电路和控制电路两大部分（如图3）。
系统各组成部分简介。
供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220 V，中大功率的采用三相380 V电源。
整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。此处采用三相不可控整流，用不可控的二极管组成三相桥式整流电路。它可以使电网的功率因数接近1。
滤波电路：此处采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。
逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥式逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。
以上四个部分组成主电路，其余部分为控制电路。
电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。
控制电路：采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828，FPGA芯片选ALTER公司Cyclone Ⅱ系列芯片。控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。从而得到与信号电路对称的SPWM波。
此处选用电动机原始参数如下：
额定功率PN：7.5 kW；
额定电压UN：380 V；
额定电流IN：15.6 A；
效率：86%；
功率因数：0.85；
过载系数：=2.2；
极对数：p=2。
3 系统软件实现的实验结果
电压频率曲线可以分为两段，在额定电压一下，电压频率成正比。当电压上升到额定频率后，不在上升。
对于恒负载时，由前面章节分析可知，电动机的转速会与其电源频率成正比。转速与频率的关系曲线如图4所示。
4 结论
本文采用FPGA控制三相PWM波专用芯片SA4828。具有电源频率可调，删除窄脉冲，响应速度快，可现场编程等特点。最终验证了系统的可行性和有效性。系统中还有过流保护和过压保护等。还可以通过FPGA监视系统的其他故障，SA4828芯片还提供在紧急情况下急停的功能。在这种内部控制保护与电路保护相结合的方式，保证了电机的安全运行。
但系统也存在许多不足之处，如控制方案的实现不够精确，FPGA芯片选择上不够经济，检测保护电路不够完善，这些问题有待进一步研究解决。
参考文献
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关键词：变频器 自动称重 准确度 数据采集
中图分类号：TP216.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0074-03
1 漆包线自动称重系统的总体设计
1.1 系统的总体结构
LY-ZDB型漆包线自动称重系统由操作站、电子称、包装机、打印机、液压工作站、PLC控制等部分组成，如所图1示[12]。
2 漆包线自动称重系统的硬件设计与实现
2.1 漆包线自动称重系统硬件的总体设计
漆包线自动称重系统硬件大致分为生产系统计算机、称和仪表、打印机、工控机、PLC、扫描枪、传感和执行机构几部分，详见图2。其中，漆包线自动称重系统的硬件设计所涉及的基本知识有变频器及异步电机、模数转换知识、IGBT模块栅极驱动的基本知识、PLC知识、485通讯电路、秤的基本知识和工业控制计算机基本知识[2，13]。
软件部分也是本文的重要组成部分，其中本文的软件主要分四个模块，即对PLC执行机构下达控制命令模块；对称体仪表的通讯（RS485）模块；读取仪表数值，对称重数据进行数据存储、打印模块；对条形码的读取、识别模块。而对于处理所得的大量数据，本软件系统中采用MS SQL SERVER 2000的大型关系型数据库来存储[7，16]。
2.2 变频器
2.2.1 变频器对外部控制的实现
变频器外部接口的主要作用是用户能够根据系统的不同需要进行各种功能组态与操作，并与其他电路一起构成自动控制系统[3，14]，如图3所示。
变频器的外部接口电路通常包括：逻辑控制指令电路、频率指令输入输出电路、过程参数监测信号电路、通信接口电路和数字信号输入输出电路等。变频器内部结构及外部接线基本，其中包括主动源、电动机、制动单元等。而变频器对外部的控制也是通过这些外部接口来实现的，其对外部的控制主要包括自动起停控制和速度调节。自动起停控制，即要实现自动称重就要实现物料传输的自动运行和速度自动调节。自动运行指的是电机自动启动并运行和自动停止，FR端子输出信号（高电平1、低电平0）来触动外部中间继电器从而控制主回路运行。速度调节，它是通过变频器的+V、VRF、COM三个端口来自动调节电机对物料的传输速度，即通过A/D转换控制运算电路，从而控制逆变电路，实现输出频率的变换。
整流器是将交流变为直流，平滑波电路则将直流电平滑，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。其中，为了电动机的调速传动，所需的操作量有电压、电流、频率[8～11]。
2.2.2 变频器的设备及选件
变频器的设备主要是用来构成更好的调速系统或节能系统，选用设备通常也是为了提高系统的安全性和可靠性，提高变频器的某种性能，增加对变频器和电机的保护，减少变频器对其他设备的影响。
其中，变频器的设备主要有：输入变压器、空气断路器、交流接触器、交流电抗器、滤波器、直流电抗器、制动电阻等。在本系统中，除了低压断路器、交流接触器选件外，还增加了中间控制继电器、电位器（用于改变输入模拟量），另外还有PLC开关量模块。
在实际的自动称重系统中，变频器和设备要能实现电机缓慢增长和缓慢停止，避免启动电流对电机的冲击，以避免货物的不稳定和不安全[4]。
2.3 变频器与异步电机
2.3.1 变频调速
变频调速系统控制电路主要包括控制运算电路、信号检测电路、门极（基极）驱动隔离电路、外部接口电路、保护电路和数字输入电路等。在变频器中，控制电路是其核心部分。控制电路的优势决定了调整系统性能的优势。而控制电路的主要作用是将检测得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为主电路提供必要的门极（基极）驱动信号，并同时对异步电机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D、D/A等外部接口来接收/发送多种形式的外部信号并给出系统内部工作状态，以便调整系统能使之够和外部设备配合实现各种高性能的控制。变频器的控制电路还包括电流、电压、电机速度检测电路、为变频器提供保护的保护电路、对外接口电路和数字操作盒的控制电路等[5]。在采用变频器进行调速控制时，当时，改变频率就可改变同步转速n。而对于异步电机的变频器传动，为了避免电机的磁饱和，同时抑制起动电流，产生一定的转矩实现安全运转，在改变其频率时必须控制变频器的输出电压[15]。另外，异步电机传动变频器也称被为VVVF变频器，即调压调频变频器的略称。
变频调速具有许多优异的性能，它调速范围较大，平滑性较高，且变频时U按不同规律变化可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求。其中低速特性的转差率较高，是异步电机调速最有发展前途的一种方法，其缺点是必须有专用的变频电源；而且在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数大为降低，甚至不能带动负载。
2.3.2 变频器对异步电动机的控制方式
变频器对电机的控制，是根据电机的特性参数及运转要求，进而对电机提供电压、电流、频率达到控制负载的要求。因此，变频器的主电路、逆变器、单片机的位数都相同，只是控制方式不一样，控制效果也不一样，所以控制方式很重要，它代表变频器的水平。目前，变频器对电机的控制方式大体可分为恒定控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、速度控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制和智能控制。其中前五种已获得成功应用，有成型的产品，现就第一种控制方式展开讨论。
恒定控制的定义。
该控制是在改变电机电源频率的同时也改变电机电源的电压，使电机的磁通保持一定，在较宽的调整范围内，电机的功率、功率因数不下降。因为是控制电压与频率的比，故称为控制。此种控制方式比较简单，多用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。另外，空调等家用电器也采用此控制方式的变频器。
电压型变频器异步电机的比恒定控制的构成。
实现电压型变频器异步电动机系统的恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM进行电压和频率的控制系统控制部分需要提供频率可变、幅值随频率变化的正弦设定信号。使用模拟电子技术产生正弦信号并不困难，但若需要信号的幅值正比于频率的变化，或按某种规律变化，则采用数字电路较易实现。
在恒定控制的PWM变频器中，PWM控制部分原理图如图4所示。图中LA为加、减速控制环节，它将阶跃的速度设定信号变为缓慢变化的设定信号，以减小起动和制动时的电流冲击。μ-COM为微型计算机处理单元，它包括存有正弦波形数据的只读存储器EPROM和产生EPROM地址的计数器。VFC为压频变换器，它将速度设定的电压信号变为频率信号（脉冲），再将速度（电压）设定的脉冲送入μ-COM中的计数器，以计数器的数据作为EPROM的地址，而改变计数频率，即可改变EPROM的地址扫描频率的变化。EPROM的数据送至数/模块换器（DAC）后，由于DAC有乘法功能，它的电压参考端直接接至速度（电压）设定端（VFC的输入），使DAC输出电压波形的幅值正比于速度设定值，从而实现恒定控制[1]。
恒定控制的PWM变频器的电路通常为交-直-交电压型变频器，其输入接至三相电源，输出接三相异步电机。中小容量变频器常采用可关断电力电子器件如大功率晶体管（GTB）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为开关器件，构成三相桥式逆变电路；而大容量变频器则采用可关断晶闸管（GTO晶闸管）或晶闸管（SCR）作为开关器件。当采用晶闸管（SCR）作为开关器件时，由于晶闸管不能控制关断，需要采用辅助换相电路。在主电路中还必须包括整流环节，通常使用普通电力二极管构成三相不可控整流桥，它将三相交流电整流成直流，再经滤波电容器滤成平稳的直流。滤波电容器和整流桥之间接有充电限流电阻，当变频器接通电源时，由于直流滤波电容器的电压不能突变，如果没有充电限流电阻，整流二极管和电容器将会流进很大的充电电流，而充电限流电阻的作用就是要限制充电电流。一旦充电结束，电容器的电压达到正常工作电压时，充电限流电阻则被断电器短接。滤波后的直流电作为逆变器的输入，经逆变桥逆变成三相交流电提供给三相异步电机。变频。器的控制电路除了上述PWM生成部分之外，还包括电力电子器件的驱动电路，它将PWM控制信号（通常为逻辑电平）经隔离、放大，变成可控的电力电子器件导通、关断的电压或电流信号。不同类型的电力电子器件需要不同的驱动电路，其基本要求是提供足够的开通电压或电流，以及可靠的关断电压或电流。对于保护部分，应做到保证变频器不发生永久性破坏。它分为硬件保护和软件保护，它们均需要对保护对象进行快速检测，并根据预先设置的保护动作设定值，分别进行处理并给出相应的故障信息[4～6]。
3 漆包线自动称重系统软件设计
在本漆包线自动称重系统中，由其软件流程见图5可知，其软件的设计包括数据库的设计、PLC控制设计、电机控制电路的设计、仪表通讯的设计（图6）、条形码读取设计和人机界面设计。
4 工作总结与展望
4.1 工作总结
本人在做课题期间，查阅大量与课题相关的书籍和资料，在对现有自动称重系统进行分析比较后，针对课题的具体应用背景，提出了漆包线自动称重系统的设计方案，具体总结如下：
（1）优势：它可以提高生产效率，实现产、销、存一体化管理，该体系还可以融入企业资源规划，实现企业资源的优化。
（2）自动称重包装系统，在国内属空白，目前仍深受欢迎。它把PLC、工控机、数据库、变频技术等进行有机组合，达到先进的自动称重功能。比人工劳动生产率提高10倍以上；精度±5 g，传统称法是±100 g，人为读取因素误差更大，甚至出现数据错误，造成两种结果，误差超过客户要求，造成大量退货，太大的误差造成企业原材料的损失。按照年产值2亿计算，造成的损失可达到上百万。这套系统就彻底解决上述问题。
（3）变频技术，PLC控制技术、数据库、自动控制计算机、智能仪表、电机控制、弱电控制强电的基础知识、通讯接口协议的基本工作原理等综合运用于现代控制领域。数据库共享给销售部门提和存精确数据，数据库系统让我们准确掌握每个产品的来龙去脉，比如：生产时间，生产机台号，当班工人，销售时间，客户信息等。
（4）发展方向：实现完全自动控制，“贴标、上下料”完全自动化仍在进一步研究中。
4.2 工作展望
目前系统已处应用阶段，在今后的调试和现场运行期间还会有许多未曾考虑的问题有待解决。初步测试表明，该系统可进行基本的通信，数据处理功能。目前，本系统实现了对称重信号的智能采集，实现了静态称重，望今后能实现动态称重以及在称重精度方面有待进一步提高。在变频控制方面做了有益的探索，使之在自动称重中发挥更重要的作用；进一步使用智能仪表，使整个系统更完善；对输送线结构的优化，尽量降低由于输送线自身重量造成称重的误差。
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关键词：放电开关IGCT，预燃电路，保护电路
一.常用固体激光电源的组成及特点
1.1 激光电源设计要求和技术指标
电源输出能量必须使工作物质的反转粒子数大于阈值，超过越多，输出光能越大。电源的功率和设计方案应随估算出的泵浦能量而定，这主要取决于工作物质的电光转换效率。为使激光输出稳定，要求电源的输出能量必须稳定。总体而言有如下几点：1.为使放电器件有高的动力指标和运行指标，电源的输出电压或电流特性必须与负特性匹配。2.为使激光器输出能量均可调，一些电源主要参数既能手动控制，也能自动控制。3.要求电源的泵浦电压，电流稳定。4.激光电源发展向小型化，重量轻，效率高的方向发展。5.使用要安全可靠，要有过压，过流等现象的保护电路。
1.2 传统固体激光电源的组成
传统固体激光电源由专用供电电源（充电和放电电路）、预燃电路、触发电路及定时（同步）电路组成。如下图
1.3 激光电源的工作原理
单向AC220v.50/60Hz输出整流，经软启动后在滤波电容上形成一个直流电源。氙灯点燃后，给出信号到控制板，若主电路没有欠压、过流，激光器冷却液断水等故障，控制板允许主电路工作，产生40kHz左右的震荡信号到驱动板，在驱动信号的驱动下，功率开关元件VMOS将直流电压变换成40kHz的交变电压，经过高频高压器进行开压，高频整流桥整流后，送到充电储能网络，当储能电容充到额定电压时，控制板板给出停振信号，逆变电路停止工作。在系统信号驱动下，储能电容给氙灯放电。在主电路工作过程中，调Q电源给出一个2000~5000v的晶体高压。氙灯放电时，相对放电信号延时50~400us，退压触发信号也送到调Q电源板上。另外，电源还具有内外时统转换功能，电源可由外时统控制放电，并具有时统输出端。
二.放电电路的特点及设计方法
2.1放电开关的选择
放电电路在激光器电源中起很重要的作用，在放电电路中，把储存在储能器中的电能直接转换成光能，因此放电电路决定了激光器的效率。论文参考，放电开关IGCT。当工作物质萤光寿命一定时，要求的泵浦光脉冲就一定。目前占主导地位的功率半导体器件主要有晶闸管、GTO和IGBT等，随着技术水平的不断提高，这些传统器件无论在功率容量还是在应用复杂程度等方面都有了长足的进步，但在实用方面还存在一些缺陷。传统GTO关断不均匀，需要笨重而昂贵的吸收电路。另外，因其门极驱动电路复杂，所需控制功率大，这就使得设计复杂，制造成本高，电路损耗大。IGBT虽无需要吸收电路，但它的通态损耗大，而且可靠性不高。另外，单个IGBT的阻断电压较近，即使是新型的高压应用场合须串联，增加了系统的复杂性和损耗。
IGCT是一种新型的电力电子器件，它将GTO芯片与及并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点，即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的低通态损耗。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。此外，IGCT还像GTO一样，具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景。IGCT的一个突出的优点是存储时间短，因而在串联应用时，各个IGCT关断时间的偏差极小，其分担的电压会较为均衡，所以适合大功率应用，正好适合本实验。
2.2 预燃电路
放电电路的电光转换效率对激光输出的高低非常重要。为了提高电光转换效率，减少电磁辐射的干扰，提高灯的帮助，在放电电路中采用了预燃型放电电路。如图：
这种电路与一般放电电路不同之处在于，有一附加的直流高压电源，这种高压电源可采用任何一种整流方式，关键是能够给出一定的电压和电流。当然，采用LC恒流变换器是理想的预燃电路，由于电路中有高压直流电源，灯始终处于稳定的辉光状态，而流过灯的预燃电流将由预燃电路中的限流元件来限定。为了保证储能器的能量以一定频率向灯供给，在灯与储能器之间接有放电开关。
三.保护电路极其设计方法
3.1 电源保护电路的考虑：欠压、过压保护
欠压、过压保护在激光电源中很重要。如果欠压，为了输出额定功率，则必须具有过大的输入电流。如果过压，则电源有过高的输入电压峰值，增大了对于逆变桥中IGBT功率开关的反向耐压，易造成过压击穿。故为保证系统工作稳定必须具有欠压、过压保护电路，电路如图3所示。利用电阻R,R1,R2取样，在LM339,2D1-4门通过调节电位器Rw，将电网输入电压限制在AC380土10%的允许变化内。
图3 过压保护电路 图4 过流保护电路
3.2过流保护
设置过流保护电路主要解决两个问题：其仪：保护电源在各种强干扰环境工作时，充电电路中不因逆变失败使功率开光（IGBT）超过额定电流值而损坏。其二，保证脉冲电源按脉冲方式进行从放电，一旦出现氙灯连弧故障时主回路过流加以切断，实现保护，如图4过流保护电路所示。论文参考，放电开关IGCT。论文参考，放电开关IGCT。图中R为过流取样电阻，调节电位器RW设置过流值，一般取电流的1.5-2.0倍，当发生过流故障时，LM339反转经光电耦合送到主控信号板，使逆变信号发生芯片SG3525关断。论文参考，放电开关IGCT。论文参考，放电开关IGCT。同时面板上故障显示灯亮、报警。论文参考，放电开关IGCT。
3.3其他保护
为了保证激光器安全工作和操作人的人身安全，在激光电源的设计中，无源水压控制，湿度控制和激光腔盖控制，利用与门关系，不论那方面出现故障保护，电路接受到故障信号均及时的关断逆变信号控制，进行报警。
参考文献
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【关键词】谐波;有源电力滤波器;应用
一、谐波研究背景
当代世界电力工业中，几乎都采用交流供电方式。在理想情况下，电源以单一且固定频率（50HZ或60Hz）向电网提供正弦变化的电压。电网可以视为一个线性系统，系统中各个点的电压，电流会和电源有相同频率的正弦变化，这些电气量只存在幅值和相位的不同。但随着电力电子技术的发展，电力系统中非线性负荷快速增加，实际系统已经不能近似为理想系统，直接的表现形式就是电压、电流出现了波形的周期性畸变。从频域分析的角度就是说，这些电压，电流的波形之中不仅包含了与电源相同频率的基波正弦分量，还有一系列频率是基波频率整数倍的高频正弦分量。这些高频分量统称为电力系统谐波，当电力系统中谐波含量过高时，也可以说存在较重的谐波污染时，电网的安全性和可靠性将会受到威胁，而传统的理论或方法（如正弦电路向量分析法等）也无法应用。因此，电力谐波已经成为世界各国政府，科学界广泛关注的问题，谐波的研究是很有意义的。
二、谐波产生原因与危害
随着我国改革开放的不断深化，现代电力电子变换技术产品等非线性负载的普及应用，一方面是科技发展的表现，另一方面却对电网产生了诸如谐波含量和无功功率增高的不利影响，这使得电网污染成为日益突出的严重问题，因此需要“实施绿色电力电子、打造绿色电网”，就必须首先解决电网污染的这个难题。根据相关的电路知识，负载的电流与加在两端的电压不呈线性关系，从而形成了非正弦的电流，这些非正弦的电流中就包含有谐波，所以可以得出结论：非线性负载是产生谐波的根本原因。关于电网中谐波的来源，可以概括为以下三个方面：
（一）由于发电源质量问题从而产生谐波，这是因为在制作发电机内部的三相绕组时，几乎不可能做到绝对对称，同样发电机内部的铁心也不会绝对的均匀一致。
（二）输电网以及配电网中由于电力变压器的存在，会不可避免的产生谐波。
（三）由用电设备所产生的谐波，这些用电设备主要是指非线性负载。
电力系统中的谐波会造成许多危害和负面影响，这些危害以及负面影响可以概括为以下几个方面：
（一）电网中各个元件由于谐波产生了附加损耗，降低了输电，用电效率。
（二）谐波会对继电保护装置，自动控制装置等形成干扰甚至造成误动。
（三）谐波可能会在电网局部引起串联谐振或并联谐振，谐波电流将放大几倍甚至几十倍，严重威胁电气设备安全并诱发事故。
（四）电气测量仪表会因谐波产生计量误差，给供电部门和用户造成直接经济损失。
三、波抑制与无功补偿装置
想要解决电网谐波污染的问题，主要的解决方案可以从两个方面入手：一是减少谐波的产生，另一个方法是安装谐波补偿装置用来补偿谐波，此方法对于各种谐波源都是适用的，哪里有消耗就在哪里产生补偿，这个浅显易懂的道理可以视作无功功率补偿方法的基本原理，常用的无功补偿装置主要有以下四类：同步调相机、开关投切固定电容、静止无功补偿器、静止无功发生器。一方面，一种设备或者装置会产生出谐波，那么很有可能它也会消耗无功功率;另一方面，在抑制谐波的同时往往也可以起到补偿无功的作用，因此将无功补偿与谐波抑制的研究结合起来，在现阶段看来是十分有必要的。谐波是原本正弦的信号发生了畸变，无功功率使得同相位的电压与电流出现了相位差，这些现象在物理学中都可以视作为波形问题，可以用综合补偿的方法来处理电力系统中的谐波和无功功率问题，有源电力滤波器就是一种同时集合了谐波抑制和无功补偿功能的新型装置。
四、有源电力滤波器的起源、发展
APF的基本思想最早可以追溯 1969 年Bird和Marsh发表的论文，文中完整地提出具有功率处理能力的有源电力滤波器的概念，这可看作是APF基本思想的萌芽。首次完整地描述APF工作的基本原理的学者是H.Sasaki和T. Machida。1976年美国西屋公司的L.Gyuig正式提出了APF的方案，他所说的APF是采用大功率晶体管PWM逆变器结构，其基本原理就是通过逆变产生与谐波电流等值反向的电流，并注入电网，从而达到滤除谐波，净化电网的目的。
上世纪八十年代末，并联型APF、混合型APF、串联混合型APF等多种拓扑结构的有源电力滤波器相继出现。上世纪九十年代中期至本世纪初，自适应、神经网络、滑模控制、重复控制、遗传算法等现代智能控制方法得到了长足地发展。近几年来，研究APF技术逐渐成为热点，美日等国已经有许多大容量APF相继投入到工业应用中，在谐波抑制以及无功补偿方面都取得良好的效果。
五、APF的原理及分类
并联型的APF主要由电流检测电路以及电流补偿电路两大部分组成，将电路负载电流中的谐波分量以及无功电流分量检测出来是电流检测电路的任务，电流补偿电路通过对逆变电路进行控制，使其产生与谐波电流以及无功电流反向的补偿电流，从而实现补偿电路中由非线性负载所引起负载电流中的谐波分量和无功电流分量的目的。按照接入电网的方式， 有源电力滤波器又可以分为并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器。并联型有源电力滤波器结构是最简单、最基本的APF，主电路由逆变器构成，它与电网电压构成并联关系，通过向电网中注入与检测所得谐波大小相等、相位相差1800 的电流信号，将电网中的谐波抵消，实现将非线性负载所产生的谐波滤除，达到净化电网的目的。并联型APF思路清晰，容易实现，因此应用最多。串联型有源电力滤波器用于补偿电压谐波。串联型APF以串入电网的方式向电网中注入谐波电压信号，实现将电网电压变为标准正弦波。但在实际应用中，安装、维护相对复杂，费用较高。
混合型有源电力滤波器，它是将串联型、并联型APF混合起来使用，混合型有源电力滤波器不仅包括串、并联的混合，还包括有源电力滤波器与无源滤波器的混合，混合型APF 的谐波补偿能力是最强的，但是从结构上可以很容易知道，混合型APF需要大量的电力电子器件，安装、使用和维护都非常复杂，使用很不方便，尤其是成本太高，性价比很低，因此使用并不广泛。谐波污染问题向电网供电质量提出了严峻的挑战，本文对电网中存在的谐波以及无功功率的起因、危害、治理措施进行了较为详细地阐述，最后找到了可以同时实现谐波治理和无功功率补偿的功能的办法，那就是应用APF，因此，APF有着广泛的应用空间。
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作者简介：
关键词：自动化生产线；教学方法；电机与电气控制；PLC；课程设计
中图分类号：G712文献标识码：B文章编号：1006-5962（2013）02-0027-02
高职机电一体化专业课程设置的培养目标是：面向工业企业生产现场，电气控制系统制造公司、机电设备制造公司、机电设备、电气设备、工控设备制造公司或公司、科技开发公司，培养适应社会需要，全面发展，适应本专业相对应职业岗位的高等技术应用性专门人才，主要岗位群定位是自动化设备安装员、自动化设备调试员、中高级维修电工等，本专业有五个主干学科：电气工程、电子工程、机械工程、计算机科学与技术、控制科学与工程，都是为了岗位需要设置的专业知识。其中《自动化生产线安装与调试》作为一门核心专业课在第四学期进行了贯穿和综合。
1自动化生产线的课程设置
机电一体化专业人才培养能力有：识图绘图能力、机电安装调试维修能力、电控系统调试检修能力、自动线调试维护能力、机电设备管理能力及机电产品营销能力等。《自动化生产线安装与调试》前序课程有PLC技术、传感器技术、电机与控制，后序课程有机床维修等。在我们所要实现的教学目标中知识目标涉及到：机械手工作原理、握机械手控制原理、机械手气动原理、熟悉安全操作规程；能力目标有：对已安装的机械手机械部件进行测量；对机械手的气路进行基本调试；根据故障现象判断故障部位；检查分析、找到故障点并分析解决故障；遵守安全操作规程；素质目标有严谨的职业态度、规范的操作习惯、创新精神、团结协作精神、自主学习精神及沟通能力。
此核心课程以项目驱动教学开展课程教学，提升学生的职业能力，以具体自动化生产线为载体，融合认知、安装、调试和检测等内容，实现教、学、做、评一体化教学，突出课程的职业性、实践性和开放性。以学生为主体，采取多样化教学方法。以自动化设备改造为工作过程，涉及电路图分析、电气图设计、程序设计、设备组装、设备运行调试、设备检测、设备维护等行动领域，设置六个学习情境：零配件拆装、传感器检测、气路检测、异步电机检测、步进电机检测、整体检测调试，分成20个任务。
项目一：供料站的安装，有机械拆装、气路拆装、电器拆装三个任务；项目二：加工站的安装，设计任务有加工站组装、光电传感器检测、限位传感器检测三个任务；项目三：装配站的安装，设计任务有装配站组装、电磁阀检测、气缸检测三个任务；项目四 ：分拣站的安装，设计任务有分拣站组装、传送带的检测、异步电机的检测、变频器的检测四个任务；项目五：输送站的安装，设计任务有输送站组装、光纤传感器检测、机械手检测、步进电机的检测、溜板检测四个任务；项目六：整体运行调试，有PLC控制网络构建、程序编写、综合调试三个任务。
2自动化生产线的教学方法与评价设计
2.1教学方法。
（1）讲授法：讲解项目任务，传授项目任务相关的知识点，针对学生实施过程中出现的不足进行知识点的说明。
（2）现场教学法：在符合生产要求的工作环境中进行操作技能和维修应用能力实践，提高职业氛围，在工作过程中提升学生的职业道德、职业素养和岗位适应能力。
（3）任务驱动法：将教学过程融入项目任务中，让学生自主讨论分析实施，学生在工作过程中得到知识。
（4）小组讨论法：学生每六～八人为一个小组，小组讨论分析，讨论解决，分工协作完成项目任务。
六步教学实施：明确任务、讨论分析、制定方案、检测故障、检验效果、总结分析。老师交代目标，注意观察和记录小组对现象分析情况，解答学生提出的问题，对跟主题分析偏离太远的小组予以引导，让学生自行摸索，在后期对学生可能会引起事故或损坏设备和工具的异常操作给予纠正，最后老师组织小组进行故障排除工作汇报，互评，并对每组进行考核评价，再引导学生自行总结。
2.2评价设计。
课程采用过程考核与期终考核相结合、企业考核与校内项目考核相结合、教师考核与学生考核相结合的多元化考核方式，利于理论联系实际，有利于学生的学习创新和思考，更督促他们到实际中去发现和改进，去寻找合适自己的项目和课题。
课程考核为：校内项目，企业，综合实训三大类。当堂课的考核有：教师考核、小组互评、小组自评；教师考核内容为五项：任务分析情况，实施方案制定，任务完成质量、分工协作精神、故障检测手段、安全操作规范、小组总结。
和很多专业课一样，多种教学方法和全面的评价方案，有效保证了教学效果。
3相关课教学
3.1电机与电气控制的教学。
本课程以发电机为主题，以工作任务为导向，以工厂实用型电气控制系统设计、安装、调试与维护情景教学为主线贯穿全课程，用实物进行直观性教学，使学生感性认识强，理性认识够。
典型的教学任务有三相异步电动机全压启动、三相异步电动机长动控制、三相异步电动机正反转控制、三相异步电动机延时启动控制（或三相异步电动机Y-降压启动）、机械手控制等。
课程特色是学生充分利用所学知识、网络资源、闲瑕时间作为期三个月的“继电控制课程设计”。任务书要求能够根据功能要求选择个元器件的类型及其型号；了解个元器件的工作原理和使用方法；把各元器件连接起来实现本课程设计的要求。设计内容和要求：两台电动机都存在重载启动的可能，任何一级传送带停止工作时，其他传送带都必须停止工作，控制线路有必要的保护环节，有故障报警装置。课程设计书要有课题介绍、题目、摘要、总体方案设计、设计目的、控制要求、设计要求、 硬件选型、主电路原理图的设计、 控制电路原理图的设计、重载保护电路设计、欠压保护电路设计、总结。
3.2PLC教学。
PLC是可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的简称，早期是一种开关逻辑控制装置，随着计算机技术和通信技术的发展，其控制核心采用微处理器，功能有了极大扩展，除了最广泛的取代传统的继电器-接触器控制的开关量逻辑控制外，还有过程控制，数据处理，通信联网与显示打印，PLC接口采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。
PLC有5种编程语言：
（1）顺序功能图（SFC）。
顺序功能图常用来编制顺序控制类程序，包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法是将一个复杂的控制过程分解为小的工作状态，这些状态按顺序连接组合成整体的控制程序。
（2）梯形图（LD）。
梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，是在常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，要求用带CRT屏幕显示的图形编程器才能输入图形符号，是目前用得最多的一种PLC编程语言。
（3）功能块图（FBD）。
功能图编程语言是用逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，与数字电路中的逻辑图一样，极易表现条件与结果之间的逻辑功能。
（4）指令表（IL）。
采用经济便携的编程器将程序输入到可编程控制器就用指令表，使用的指令语句类似微机中的汇编语言。指令表程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计时一般使用梯形图语言。如果使用手持式编程器，必须将梯形图转换成指令表后再写入PLC，在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。
（5）结构文本（ST）是文字语言。
编程语言的学习是PLC教学的一项重要内容，中间加以不同的应用实例：顺序控制电路、常闭触点输入信号的处理，使用多个定时器接力定时的时序控制电路、三相异步电动机正反转控制电路、钻床刀架运动控制系统的设计，LED数码管显示设计，还经常根据继电器电路图设计梯形图。
增加的学习情境还常有如下任务：洗手间的冲水清洗控制、进库物品的统计、竞赛抢答器装置设计、彩灯或喷泉PLC控制；寻找数组最大值并求和运算、电热水炉温度控制等。
3.3单片机。
单片微型计算机就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。用于示波器、报警系统、移动电话、彩电等日常方面，在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信领域、医用设备领域、工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域也都有广泛应用。
数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高，微型单片化集成了如看门狗、AD/DA等更多的其它资源。教学内容以80C51为核心讲授单片机的的引脚、存储器组织结构、典型语句，以实例应用为线索：单灯受控闪烁、P1口外接8只LED发光二极管模拟彩灯、单片机做加、减、乘、除运算等项目。各子任务都作硬件电路及工作原理分析、主程序流程图设计、源程序的编辑、编译、下载、单片机的I/O接口分配及连接。
教学采用ISP-4单片机实验开发板，可以完成大量的单片机学习、开发实验，对学习单片机有极大的帮助。该板采用在线可编程的AT89S51单片机，有程序下载功能，可将编辑、编译、调试好的单片机代码下载到AT89S51单片机中。
3.4变频器技术及应用。
变频技术让学生熟练掌握各种电力电子器件的工作原理、主要参数、驱动电路与保护技术；掌握交-直-交变频器、交-交变频器、谐振型变频的工作原理和应用范围；掌握脉宽调制控制、矢量控制和直接转矩控制等先进技术；了解变频器与感应电动机组成变频调速系统、变频器与双馈电机组成调速系统、变频器与同步电动机组成变频调速系统，掌握电力电子电机系统的组成、工作原理、控制方法、运行特性等，是强电应用和现代技术推广的有力体现。
3.5传感器与自动检测技术。
传感器技术代替人的感观，在各种环境下应用，检测技术是一套有效的反应体系，包括信息的获得、测量方法、信号的变换、处理和显示、误差的分析以及干扰的抑制、可靠性问题等。因此掌握常用传感器的工作原理、结构、性能，并能正确选用，了解传感器的基本概念和自动检测系统的组成，对常用检测系统有相应的分析与维护能力。对工业生产过程中主要工艺参数的测量能提出合理的检测方案，能正确选用传感器及测量转换电路组成实用检测系统的初步能力。
教学过程进行小论文制作，让学生提高计算机应用水平，使学生从文字处理水平提高到办公处理水平。对分节、目录、文献标识作严格要求。题目如数字显示电子称、基于霍尔传感器的转速表、单片机电子秤研究、光纤测温仪、烟雾报警器、小车寻迹设计、电熨斗自动恒温系统、电涡流探伤、电感测厚仪等。
4毕业论文指导分析
毕业论文专业联系实际，通常小型自动化系统以单片机为主，大型自动化生产线以PLC为主，系统运行动力离不开电机，观察离不开传感器，调速可用变频器，综合所学，学生的论文涉及广泛，有效教学可对应从如下方面侧重指导。
4.1立意选题。
根据实际和研究方向做好侧重和体现，如“触摸屏控制的碱液配置系统”和“两种液体混合装置的PLC控制系统”的系统性和方向性，“车库自动门的PLC自动控制”和“测速雷达信号处理系统”的检测指标要求等。
4.2材料整合。
在任务要求明确的基础上，首先确定相关技术指标，对应查找并列出论文结构，一份毕业论文至少含有三到五门课的内容，对应于研究方向进行相应编排和取舍。
4.3技术处理。
所搜集图片的背景往往有水印，要去掉，图片按要求进行不同方向的剪切。图表里的文字应是五号或小五，注意表格标题要单独标出等等格式要求。流程图、梯形图的设计与表现。
多种教学方法和理论联系实际教出具有学习能力和创新能力的学生，系统的学习与应用创造练就出具有竞争力的学生，专业课的有效教学和毕业论文的顺利设计将显示本专业沉甸甸的含金量。
参考文献
[1]吕景全.《自动化生产线安装与调试》，中国铁道出版社，2010年7月
[2]马玉春.《电机与电气控制》，北京交通大学出版社，2011年1月
[3]李建新.《可编程控制器原理及应用》，机械工业出版社，2012年9月
