弧焊电源技术的发展现状与趋势分析
弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊接生产领域。电弧焊作为一种基本的金属处理方法，被广泛的运用于国民经济的各部门，为电弧焊提供能量的弧焊电源从诞生起已取得了很大的发展。
1弧焊电源发展历程
作为一种气体导电的物理现象，电弧是在19世纪初被发现的，直到1885年俄国人别那尔道斯发明碳极电弧可以看作是电弧作为热源应用的创始，而电弧真正运用于工业是在1892年发现金属极电弧后。上世纪40年代研究成功埋弧焊，而随着航天与原子能的发展出现了氩弧焊。上世纪50年代出现了CO2与各种气体保护焊并研究出等离子弧焊，到70 - 80年代，弧焊电源的发展更是出现飞跃:多种型式的弧焊整流器相继出现和完善，研制成功多种型式的脉冲弧焊电源，为进一步提高焊接质量和适应全位置焊接自动化提供了性能优良的弧焊电源。此外，还先后研制成功高效节能，性能好，晶闸管式、晶体管式、场效应管式和IGBT弧焊逆变器。随着新型弧焊技术的发展，弧焊电源也有了长足的进步。
2弧焊电源的分类、特点及运用
2.1 弧焊电源的分类
弧焊电源的分类无论是国内还是国外都有不同的分类方法，因此其结果也不尽相同，本文采用陈祝年的分类方法。
2.2各种弧焊电源的特点及运用
弧焊变压器，它把网路电压的交流电变成适宜于弧焊的低压交流电，由主变压器及所需的调节部分和指示装置等组成。
它具有结构简单、易造易修、成本低、效率高等优点，但其电流波形为正弦波，输出为交流下降外特性，电弧稳定性较差，功率因数低，但磁偏吹现象很少产生，空载损耗小，一般应用于手弧焊埋、弧焊和钨极氩弧焊等方法。
矩形波交流弧焊电源，它采用半导体控制技术来获得矩形波交流电流，其电弧稳定性好，可调参数多，功率因数高。它除了用于交流钨极氩弧焊(TIG)外，还可用于埋弧焊，甚至可代替直流弧焊电源用于碱性焊条手弧焊。
直流弧焊发电机，一般由特种直流发电机和获得所需外特性的调节装置等组成.它的缺点是空载损耗较大、磁偏吹现象较明显、效率低、噪声大、造价高、维修难；优点是过载能力强、输出脉动小，可用于各种弧焊方法的电源，也可用柴油机驱动用于没有电源的野外施工。弧焊整流器，它是把交流电经降压整流后获得直流电的，外特性可以是平的或下降的，它由主变压器、半导体整流元件以及获得所需外特性的调节装置等组成。与直流弧焊发电机比较，它具有制造方便、价格低、空载损耗小、噪声小等优点，而且大多数可以远距离调节，能自动补偿电网电压波动对输出电压、电流的影响，但有磁偏吹现象.它可作为各种弧焊方法的电源。
弧焊逆变器，它把单相(或三相)交流电经整流后，由逆变器转变为几百至几万赫兹的中频交流电，经降压后输出交流或直流电。整个过程由电子电路控制，使电源具有符合需要的外特性和动特性。它具有高效节电、质量轻、体积小、功率因数高、控制性能好、动态响应快易于实现焊接过程的实时控制、焊接性能好等独特的优点，可用于各种弧焊方法，是一种最有发展前途的普及型弧焊电源。脉冲弧焊电源，焊接电流以低频调制脉冲方式馈送，一般是由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成，也有其他结构形式。它具有效率高，输入线能量较小，可在较宽范围内控制线能量等优点。这种弧焊电源用于对热输入量比较敏感的高合金材料薄板和全位置焊接，具有独特的优点。
3弧焊电源技术的现状与发展
3.1弧焊电源技术的现状
传统的弧焊电源，如占焊机总产量90%的手弧焊机生产中，是以技术落后的矩形动铁式和大量耗材的动圈式交流弧焊机为主。在我国直流弧焊电源中，在国家三令五申下，虽已逐步减少了电力拖动的旋转式直流弧焊发电机的生产，但未能完全禁绝。对整流式弧焊电源的推广，也是较为困难，由于老式的硅整流弧焊电源的性能难以与旋转式直流弧焊电源相匹敌，而国家重点推广的晶闸管整流电源ZX5 -250、ZX5 - 400初期性能并不稳定，使用户无所适从，这一局面直到90年代中期才得到改变。
数字化弧焊技术是一种新兴的技术，数字化弧焊电源是指焊机主要的控制电路由数字控制技术替代传统的模拟控制技术，且在控制电路中的控制信号也由模拟信号过渡到0 /1编码的数字信号。数字系统与模拟系统相比有着明显的优势，数字系统具有系统灵活性好、控制精度高、稳定性与产品一致性好、接口兼容性好以及系统功能升级方便等特点。1994年，国外Fronius公司的Lahnsteiner.Robert指出，现代GMAW焊接电源应满足多方面的不同需求，如:适合于短路过渡焊接、脉冲焊接、射流过渡焊接和高熔敷率焊接等焊接工艺，合理的焊接电源外特性可以通过原边工作于开关状态的逆变电源实现；大量的焊接规范参数的设计必须实现Synergic控制(一元化控制)以使焊接电源便于操作；为满足新的质量控制要求，焊接电源必须实时记录焊接规范参数、识别偏差量 。基于上述思想，伴随着新型的功能强大的数字信息处理器DSP的出现，Fronius公司推出了全数字化焊接电源，随后Panosonic等公司也推出了各自的数字化焊接电源产品，并相继进入中国市场。数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点 。如Fronius公司的Transplus synergic 2700 /4000 /5000系列产品在一台焊机上实现了MIG/MAG、TIG和手工电弧焊等多种焊接方法，可存储近80个焊接程序，实时显示焊接规范参数，通过单旋钮给定焊接规范参数和电流波形参数，可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制，同时，此类焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控制软件升级。
3.2弧焊电源技术发展
弧焊电源从诞生到目前已经历了一百多年的历史，它总是随着科技的进步而发展。预计未来的弧焊电源将朝着这几方面发展:
其一，数字化弧焊电源。从硬件电路角度看，数字化电源借助DSP技术实现了PID控制器和PWM信号发生电路的数字化。随着实现了模拟电路和数字电路有机结合的混模电路的出现，预计不久的将来分立式的模拟电路将逐步为高度集成的数字化混模电路所取代。而焊接电源和功率模块的设计制造也可根据需要以数字化的方式完成。焊接电源的能量控制由电流、电压、时间的协同方式来完成，具体表现为输出波形的数字化。
其二，绿色弧焊电源。早在2000年就有人提出绿色焊机的概念，绿色焊接是在全球资源与能源日渐紧缺，人民的环保意识逐渐增强的情况下提出的。节能环保的绿色焊机必是未来焊机弧焊电源的研制发展方向。
4结语
近年来随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产的生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视。而人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人技术等现代高新技术的溶入，也促使弧焊技术正向着焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展，弧焊设备也向着智能化发展、机器人化发展。本文综述的内容只是其中很少一部分，希望能够起到促进交流，共同提高的作用。
电力电子技术的发展与展望研究
作者：王娟武 班级：机设0918 专业：机电设备维修与管理 学号：0918316 学院：安徽水电学院 日期：2010年12月
当今世界能源消耗增长十分迅速。目前，在所有能源中电力能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在21世纪将起到更大作用。
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。
�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。
一．.电力电子技术的发展历史
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一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。
2. 逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调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。
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年左右将形成高潮。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。
二．.现代电力电子技术在电力系统中的应用
1. 发电环节
电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备 ，电力电子备的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。
（l）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）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干水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时 (尤其是抽水蓄能机组) ，机组的最佳转速便随之发生变化。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。
（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6 5％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. 输电环节
电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改 善了电力网的稳定运行特性。
（1）直流输电 ( HVDC)和轻型直流输电( HVDC L i g ht )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。l 9 7 0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）柔性交流输电 ( FACTS)技术 FA CTs技术的概念问世20世纪8 0 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9 0年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FA CTS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。
3. 配电环节
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 ( Cu s t o m Po we r ) 技术或DFACTS技术，是在F ACTS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DFACTS设备理解为F AC TS 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D F A C TS设备产品将进入快速发展期。
三．电力电子技术的发展展望
1. 新型电力电子器件
在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。碳化硅与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数，以及高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合下是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流水平下，SiC器件的漂移区电阻仅为硅器件的1/200，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10ns量级，并具有十分优越的FBSOA。SiC可以用来制造射频和微波功率器件、各种高频整流器、MESFETs、MOSFETs和JFETs等。SiC高频功率器件已在Motorola开发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其它SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。可是，SiC材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计还需要至少10年左右的时间。
2. 新能源
电力电子技术在新能源发电技术和电能质量控制技术及节能技术方面有很广阔的发展间。其中风力发电和太阳能发电最受关注，而电力电子技术正是风力发电和太阳能发电的核心技术之一，这给电力电子工程师提供了千载难逢的发展机遇 ，广大 电力电子工程师务可以住这一机遇乘势而上，促进电力电子技术的发展。同时，由于一方面电力电子装置和电弧炉等装置的的大量应用，使得电能质量日益下降，另一方面用 户对电能质量的要求越来越高人们对以有源电力滤波器为代表的电能质量控制装置日益重视，研究开发越来越多。此外，由于电力系统电动机(约占发电量的6 0 ％ 以上 ) 和照明电源( 约占发电量的 1 0～1 5 ％的大量采用，电力电子装置对无功功率和电力谐波都可有很好的补偿作用，因此，电力电子技术被称为节能的技术。目前，由于化石能源日渐枯竭，因此 ，电力电子技术在节能方面受到很大程度的重视，并且发展十分迅速。
3. 电动车辆
中国人多地大石油少，现在中国每年已进口许多石油。在21世纪前半叶，地球上的石油天然气资源日益减少，以至早晚会用尽。特别在中国国情下，城市交通以发展电动车辆为主是必然的趋势。大城市间的磁悬浮列车、城市内的电动高架列车和地铁列车、个人用电动自行车和电动汽车将构成未来的交通网络的主角。其中，大有电力电子产品的用武之地。磁悬浮列车的磁悬浮电源和直线电动机的变频调速；城市高架列车和地铁列车中异步电动机的变频调速；电动自行车和电动汽车中永磁无刷电机的外转子调速，在今后十年里会有很大的发展。这里，电动自行车和电动汽车的普及必须解决无刷电机及其控制器、环保电池、快速充电器和充电站网络服务等几方面的问题。现在看来，在中国推广电动自行车替代摩托车作为代步工具技术上正在趋于成熟。这里必须采用镍－氢电池组和锂离子电池组，消除常规铅－酸电池对环境的污染。这种价格尚偏贵的电池组可以采用向电动自行车用户出租使用的方式，实行由间距合理的电池充电站统一充电和用户自行充电相结合的办法。铅－酸电池与锂离子电池（如36V，10AH）相比，前者重12 kg，后者仅2.4 kg。
电动汽车的发展又是电力电子未来的潜在大市场。首先是高能量密度的清洁电池的突破。比较有希望的是燃料电池，它的起动和稳定运行都要用电力电子产品与之配套。其牵引系统方案中令人最感兴趣、并已有工业应用前景的，要属安装在四个车轮中的外转子盘式永磁无刷直流电动机驱动了。这种电机结构的优化设计、高性能控制调速传动，以及四台电机转动的协调运转，将为电动汽车的舒适运行，零半径转弯提供技术保证。今后十年将是电动汽车实用化发展的关键时期，电力电子产业可以也应该为此做出相应的研究开发工作，积极迎接这个庞大市场的到来。
结束语：
电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。
参 考 文 献
（1）林渭勋. 浅谈半导体高频电力电子技术.电力电子技术选编,浙江大学,1992（384-390）
（2）付宇明 张辉. 电力电子技术在电力系统中的应用.信息技术，2000（162）
（3）王兆安. 我国电力电子技术的新进展..逆变器世界,2008(32)
(4) 陈虹. 电气学科导论. 北京：机械工业出版社，2005
新能源是指传统能源之外的各种能源形式。我整理了浅谈新能源技术论文，欢迎阅读!
论新能源发电技术
摘要：本文从全球能源的现状，介绍了中国能源发电技术的应用情况，发现中国新能源发电对现代化建设具有重要战略意义。进一步介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统两种新能源发电技术。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是近期发展的重点。燃料电池是一种将化学能直接转换成电能的装置，它能量转化效率高，几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。
关键词：新能源;风能;燃料电池;发电技术
中图分类号： F206 文献标识码： A
能源紧缺已成为制约各国经济发展的瓶颈，如何开发先进安全的新能源使用技术、如何提高能源利用率也随之成为世界各国关心的课题。欧盟就首先提出了20-20-20计划：到2020 年，可再生能源占欧盟总能源消耗的20%。2007年12月，美国前总统布什也签署了《能源独立和安全法案》(EISA)，从而大力推动新能源的使用和节能计划。另外，从环境的角度来看，为了保护人们赖以生存的地球，开发新能源也是必由之路。
一、我国能源和发电技术的现状
2011年，我国新能源发电继续保持快速发展态势，并网装机容量持续增长，发电量不断增加。截至2011年底，我国新能源安装容量达到7000万kW，居世界首位，并网新能源装机容量达到5409万kW，同比增长47.4%，约占全部发电装机容量的5.1%。其中，风电并网容量约占并网新能源装机总量的85.5%;并网太阳能光伏装机容量约占并网新能源装机总量的4.4%;生物质及其他新能源发电装机容量约占并网新能源装机总量的10.1%。
2011年，我国新能源发电量约为1016亿kW?h，同比增长29.9%，约占全部发电量的2.2%。其中，风电发电量约占新能源发电总量的72.0%;太阳能光伏发电约占0.9%;生物质及其他新能源发电约占27.1%。2011年我国新能源发电量按发电煤耗320g/(kW?h)计算，相当于节约3241万tce，减排二氧化碳9030万t。
电能是国民生活和生产的根基，无论是从能源角度，还是电力系统自身方面来看，研究新能源发电技术对于我国的现代化建设和人民生活都具有相当大的现实意义和战略意义。
二、风力发电技术
风能资源主要包括陆地资源与近海离岸资源两部分。风力发电是当今非水可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式，也是目前新能源发展的重点方向。
1.发展现状
近年来，我国风力发电产业取得了长足发展，这与我国的风能资源丰富密不可分。据有关资料显示，陆地上离地面10米高度处，我国风能资源理论储量约为43亿千瓦，技术可开发量约为3亿千瓦，离地面50米，估计可能增大一倍;近海资源10米高经济可开发量约7.5亿千瓦，50米高约15亿千瓦。从我国联网风电场总装机量来说，到2006 年底，我国已建成约91个风电场，装机总容量达到约260万千瓦，比2005年新增装机134万千瓦，增长率为105%。根据国家中长期规划，2015年风能发电要达到1500万千瓦，2020年要达到3000万千瓦。但是，与风电发达国家相比，我国的发展规模还很小，发展速度也较缓慢。制约我国风电发展的重要因素包括技术和制度两个方面。技术方面，风电机组的制造水平较低，风电机组性能测试设备和技术也相对落后，并缺少相应的认证机构;制度方面，风电场的运行维护水平和制度与国外风电场及国内火电生产相比有明显差距，缺乏对运行过程中出现的问题和故障的详细记录、分析。
2.对电力系统的影响
风力发电机是以风作为原动力，风的随机波动性和间歇性决定了风力发电机的电能输出也是波动和间歇的。所以，风电场的大规模接入将会带来波动功率，从而加重电网负担，影响电网供电质量和电网稳定性等。
(1)对电能质量的影响。空气气流运动导致的风速波动周期一般为几秒到几分钟，这种短周期的风速波动以及风电机组本身的运行特性可能影响电网的电能质量。首先会对频率产生影响：风力发电有功功率波动引起电磁功率的波动，由于发电机组转子惯性，调节系统很难跟上电磁功率的瞬时变化，造成功率不平衡，使发电机转速变化，系统频率也将改变。此外，风电还会对电压产生影响：并网风电机组输出功率的波动导致电压的波动，而其输出功率的频率范围正处于电压闪变的范围之内(25Hz)，因此又会造成电压闪变，最后会产生谐波电压和谐波电流。
(2)对电网稳定性的影响。对较为薄弱的电网，风电功率波动将导致瞬间电压跌落以及风力发电机的频繁掉线。在故障清除之后，发电机的磁化和转差率的增加会消耗大量无功，导致电网电压恢复困难。
(3)对调频调峰能力的影响。气流长时间、季节性运动导致的风速波动周期一般为数小时，甚至数天、数月，这种长周期的风速波动会增加现有电网调频调峰的负担。负荷曲线的低谷期常常对应了风电出力的高峰期，风电场的并网发电使电网的等效负荷峰谷差增大，大大增加了电网调频调峰负担。
三、太阳能光伏电池发电技术
1. 1 太阳能光伏电池
太阳能光伏电池发电也简称为太阳能光伏发电，被认为是未来世界上发展最快和最有前途的一种可再生新能源技术。太阳能光伏电池的基本原理是利用半导体的“光生伏打效应”( 光伏效应) 将太阳的光能直接转换成电能。能利用光伏效应产生电能的物质，称为光伏材料。利用光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件叫太阳能光伏电池或光伏电池。光伏电池是太阳能光伏发电的核心组件。
1839 年，法国物理学家贝克勒尔 ( Edmond Bec-qurel) 发现: 将两片金属浸入电解液中所构成的伏打电池，当接收到太阳光照射时电压升高，他在所发表的论文中把这种现象称为“光生伏打效应( PhotovohaicEffect) ”。“光生伏打效应”是不均匀半导体或半导体与金属混合材料在光照作用下，其内部可以传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，因而在不同部位之间产生电位差的现象。1941 年，奥尔在硅材料上发现了光伏效应，从而奠定了半导体硅在太阳能光伏发电中广泛应用的基础。1954 年，美国贝尔实验室的科学家恰宾( Darryl Chapin) 和皮尔松( Gerald Pearson) 研制成功世界上第一个实用的单晶硅光伏电池。同年，韦克尔发现砷化镓具有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成世界上第一块薄膜光伏电池。我国2010 年 12 月投入运行的大丰 20 MW 光伏电站，是目前全国最大的薄膜光伏电站，年发电量2 300 万 kW·h。
太阳能光伏电池的工作原理如图 1 所示。
在半导体中掺加杂质制成 PN 结，以形成在平衡状态时具有的内建电场，在该内建电场的作用下分离由外界激发而生成的过剩载流子，从而形成外部电压。在光照条件下，半导体中的电子吸收光子能量从价带跃入导带，形成电子———空穴对，成为载流子。生成载流子所需要的最低能量是半导体的禁带宽度 Eg，使用禁带宽度较小的材料制作的太阳能电池可以形成较大的电流。
基于单晶硅的第一代光伏电池是目前太阳能光伏电池市场的主流，其光电转换率已达 24. 7%; 基于薄膜技术的第二代光伏电池的光电转换效率已达到16. 5% ～ 18. 8% 。由于薄膜光伏电池大大减少了半导体材料的消耗，因此具有很好的发展前景。应该指出，光伏电池在光电转换过程中，光伏材料既不发生任何化学变化，也不产生任何机械磨损，因此太阳能光伏电池是一种无噪音、无气味、无污染的理想清洁能源。2006 年，我国太阳能电池生产总量首次达到400 MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，也是世界上发展最快的国家。
1. 2 太阳能光伏电站
太阳能光伏电站是将若干个光伏转换器件即光伏电池封装成光伏电池组件，再根据需要将若干个组件组合成一定功率的光伏阵列，并与储能、测量、控制装置相配套，构成太阳能光伏电站。
太阳能光伏电池具有很大的灵活性，不仅可以用其建设零星规格的电站，而且可以组成应用于小型、分散电力用户的太阳能光伏发电系统。这种独立运行的太阳能光伏发电系统称之为离网型太阳能光伏发电系统。
由于受昼夜日照变化及天气的影响，离网型光伏发电系统通常需要和其他电源形式联合使用，比如柴油发电机组以及蓄电池组，从而增大了电站的投资和维护费用。离网型光伏发电系统往往建在距离电网较远的偏远山区及荒漠地带，向独立的区域用户供电。西藏措勒 20 kW 光伏电站是我国建设较早的离网型光伏电站，总投资 290 万元，1994 年 12 月正式投产发电。
离网型太阳能光伏电站系统如图 2 所示。
电站的发电系统由太阳能光伏电池方阵、蓄电池组、直流控制器、直流 - 交流逆变器、交流配电柜和备用电源系统( 包括柴油发电机组和整流充电柜) 等组成。其工作原理为太阳能光伏电池方阵经过直流控制柜向蓄电池组供电，并根据需要整定蓄电池组的上限和下限电压，由直流控制柜自动控制充电。蓄电池组通过直流控制柜向直流 - 交流逆变器供电，经逆变器将直流电变换成三相交流电，再通过交流配电柜以三相四线制向用户供电。当蓄电池组的电压下降到下限电压时，为不造成蓄电池组的过渡放电，直流控制柜将自动切除其输出电路，使直流 - 交流逆变器停止工作。柴油发电机组为电站的备用电源，必要时由备用电源通过整流充电柜向蓄电池组充电，或在光伏发电系统出现故障及停运时直接通过交流配电柜向用户供电。直流 - 交流逆变器和柴油发电机组不能同时向用户供电，为此必须在交流配电柜中设置互锁装置以保证供电电源的唯一性。
当太阳能光伏电站的容量达到一定规模时，还可与电网相联，即所谓的并网型光伏电站。这时，如果本地负荷不足，则可将多余的电能输送给电网。当本地太阳能发电量不足时，则由电网向用户提供电能。因此，并网型光伏电站可以不需要使用蓄能装置，减少系统投资和维护费用。同时由于与电网的互济，提高了发电设备的利用率和供电用电的安全可靠性，是大规模开发太阳能发电技术的必然趋势。我国第一座并网型光伏电站是 2006 年建成投运的西藏羊八井可再生能源基地 100 kW 高压并网光伏电站。2010 年底全国首个光伏并网发电项目敦煌 2 ×10 MW 光伏发电项目建成投产。
四、结论与展望
本文从全球和我国的能源现状出发，分析说明了新能源发电技术是当前迫切而有实际价值的研究课题，进而具体介绍了风力发电系统和燃料电池发电系统的特点以及我国在这两个方面的发展现状。新能源不仅仅指风能和燃料电池，还包括生物质能、海洋能、地热能和光伏电池等。我国乃至全世界的新能源发电技术发展的潜力都是巨大的。在人类明天的舞台上，新能源将取代化石燃料，扮演重要的角色。
参考文献：
[1] 徐德鸿 . 新能源电力电子导论 [D]. 杭州 : 浙江大学 ,2009.
[2] 郝伟, 舒隽, 张粒子. 新能源发电技术综述 [C].华北电力大学第五届研究生学术交流年会 ,2007.
[3] 施涛.燃料电池发电系统的建模与仿真 [D].南京:东南大学,2007:5-6,63-64.
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随着消费水平的提高，对于应用广泛的交通工具—轿车的性能也提出了更高的要求。西方汽车制造商为了使自己的汽车更受消费者青睐，纷纷利用尖端电子技术提高汽车的动力性、安全性、舒适性和经济性。在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中，电气设备越来越多，电气负荷越来越大，这就要求汽车电源提供更高的电能，传统的14V电压供电源系统已经捉襟见肘，为此，一种新型42V电源供电系统即将在汽车上应用。42V电源系统能提供8Kw的动力，对汽车电器提供了较大的发展空间。
��一、汽车新型电源的应用是大势所趋
��在汽车技术高度发展的今天，汽车电器的容量大幅度增长。近几年来，由于纯电池电动汽车商品化困难重重，电池混合动力汽车作为清洁汽车应运而生。同时，汽车智能化程度的不断提高，新的电气装置在汽车上被不断广泛采用，如各种电控系统(电控喷射、废气再循环电控、增压电控等)、巡航控制、陆地导航、气候即时控制、车载计算机网络等，使汽车电子附件所占的比例大幅提高。这些装置的执行器通常要求较大的功率，相应的耗电量也大大增加，如何提供足够的电力，保证所有电器系统可靠的工作，已成为现代汽车发展的瓶颈。
��随着人们对汽车乘坐舒适性、燃油经济性、排放环保性要求的日益提高，汽车上的新装置、新技术不断增多，能耗量不断增加。由于电能具有传输简便、转换容易、控制灵活等一系列优点，采用电磁或电动执行器取代液压传动和气压传动执行器已成为一种趋势。一些带电的机械装置逐步转变为带机械的电子装置，大大增加了电气系统的负荷。在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中，电气设备越来越多，电气负荷越来越大，这就要求汽车电源提供更高的电能，传统的14V电压供电源系统已经捉襟见肘，为此，一种新型42V电源供电源系统即将在汽车上应用。����42V电源系统能提供8KW的动力，对汽车电器提供了较大的发展。采用42V电源的最重要的意义还在于使产品设计人员从过去许多局限性中解脱出来，为汽车技术的发展提供了充分的想象空间。
��20世纪80年代国内轿车的发电机功率一般是500W以下，现在轿车发电机功率达到1000W的很普遍；那时不少轿车还没有空调装置，现在没有空调的轿车反而令人奇怪；以前的轿车驾驶座椅是人工调整，现在多是电动调整；以前的轿车门窗多是手摇开闭的，现在流行电控开闭，等等。过去是高级汽车才有的东西，今天已是现代轿车的一般配置。由于车上自动控制所必需的微型电机数目会不断增加，导致汽车越先进，消耗的申能就会导致汽车越先进，消耗的电能就会越大。如果不改变现行的电压标准，功率增大必然导致电流增大，电流增大必然要加大导线的截面积，换句话说就是要加粗导线，发展下去车上的主线束将粗如手臂，电器件的体积会变大，汽车重量会增加，油耗会增大，有限空间被占用。在现有电气系统的额定电压下，要输出上述大功率，必须大大增加交流发电机输出电流。低电压、大电流输出会降低爪极式交流发电机的效率，并且为了降低线路上的电阻热损耗，导线的截面积将增加几倍，这不仅增加了整车装备的质量，而且对发动机舱和车厢的空间布置带来很多问题。可见现有的14V供电源系统难以满足要求，惟一可行的办法是提高交流发电机电压以增大其输出功率。根据现有的研发技术和生产工艺，在交流发电机额定电压为14V时，其输出功率可达2KW；当额定电压为28V（14×2）时，输出功率可达4KW左右；当额定电压增加为42V(14×3)时，其输出功率可增大至6KW，甚至更高。
��二、采用42V汽车电源系统的优势
��1、提高发动机效率。采用42V电源后，可以把发动机驱动的附件从发动机中分离出来，由电动机直接驱动，从而进一步减少发动机的部件数量，降低发动机的自重并提高效率，这样可避免附件的空转，提高能源利用效率。
��2、减小线束直径。实施42V电压标准后，从理论上讲，电压提高3倍，则线束的直径可降低为原来的60%(而在实践中，考虑到生产小规格线束的工艺性及产品的可靠性，电线不可能太细，因而包括绝缘材料和连接器在内的车用线束在质量和体积上实际上只能减小25%)，可降低成本，方便安装，并可采用较小的车身钻孔，增加汽车行驶平顺性。同时，晶体管电路可以实现具有智能特点的故障自诊断功能和电路保护功能，从而可取消传统的保险丝，使连接器更小、更轻，从而可取消传统的保险丝，使连接器更小、更轻，汽车上的开关将像计算机的键盘一样。
��3、电动机和电磁阀重且大大降低。42V电压系统所带来的最大益处是减小了电动机和电磁阀重量。BOSCH公司的专家认为，采用42V电压标准可使新的电动机和电磁阀重量减轻20%，较简单电磁阀的体积和重量都随着电压的增加而成比例减小，较小的电动机则意味着更薄的车门，更宽敞的乘坐空间，甚至增大座椅下的贮存空间。
��4、有利于汽车微型化。现代轿车为了实现各种功能，运用了许多电器装置，占用了很大的空间，使车内可用的空间减小。在采用42V电源后，在相同功率下提高了电压值，可减少电器装置的体积、质量和损耗，有利于控制装线圈等。
��5、解放设计思路。现在汽车上的电器装置愈来愈多，通过采用电动转向系统、电动制动系统、自动导航系统、电动离合器系统和自动娱乐系统等，提高了控制精度，改善了整车的安全性，带来更好的驾驶舒适性和更好的燃油经济性，同时也提高了汽车的可靠性。由于功率与电压的平方成正比，42V电源技术使这些高新技术在汽车上广泛应用成为可能。对于水泵和油泵并说，可将其改为电力驱动，消除了对发动机的低速拖动扭矩，达到减少燃料消耗的目的，同时也减少了又发动机空间的需求。对于电加热式三效催化转化器可以在原基础上提高加热功率，进一步降低冷气的排放。可以在原基础上提高加热功率，进一步降低冷气的排放。
��6、为发展混合动力汽车创造条件。42V电源的采用可以大大提高汽车电源系统的容量，为发展混合动力汽车创造条件。这必将推动混合动力汽车的发展，尤其是对适合城市应用的振合动力汽车的开发具有决定性的影响。在城市交通拥挤的情况下，怠速和超低速行驶，大约占汽车总行驶时间的20%-30%，不但浪费了大量的能源，不但汽车排放的有害物是正常工况下的几十倍。如果采用42V电源系统，可以实现在低速时由电源直接驱动电动机作为汽车的动力源，在交通管制路口等待信号时可方便地切断电源，减少怠速时间，大大降低了城市的环境污染。关键技术是要开发能完成这些功能的电机及相关部件，使之既能起动发动机，又能取代发动机作为动力源，在发动机工作时，还可作为动力源，在发动机工作时还可带动发电机对电源充电。
��另外，采用42v电源在技术上还有一些其他的优点，例如对同样功率的电器与14V电源相比电流大为降低，从而减少了功率损耗，减少了导体的截面，节约了材料等。同时42V电源系统还可以为其他需要大电流的设备供电，如尾气后处理装置的加热以及为车辆其他舒适性设备供电。
��以上技术措施，不仅不增加汽车的成本，而且可以使汽车能源利用率提高10%以上，同时大大减少汽车的排气污染。
��三、42V汽车电源系统的发展走向
��报载欧美的汽车制造商与零部件供应商已达成协议，将汽车的供电源系统电压标准由12V提高到42V，不久将开始执行。汽车上采用12V电压已有30年历史，当对改善启动性能，提高电器件效率起了一定作用。但目前己不适应技术发展的需要，从理论上讲电压提高3倍，电流就可减少2/3，因而可以大大减少电缆、电动机、线圈等尺寸及质量。特别是可使一些新技术如电子控制电动气阀机构、飞轮内装启动机发电机一体式结构，以及电子控制电动制动器、转向系统的应用成为可能。同时，可以减轻汽车质量并提高效率。但提高电压对采用灯丝型灯光系统有不利影响。因此有可能在开始阶段，仍保持与42V同存一个时期。
��为了解决日益增长的汽车电力供需之间的矛盾，美国通用公司已经研制一种适用于42V的汽车用电源系统，电动汽车EV将首先试行使用这套系统，成为首辆使用42V的汽车。据悉欧洲汽车公司将率先使用42V电源标准，据预测，42V汽车2002年达到4.6万辆，2010年将达到1289万辆。预计实施将从易到难，从小到大铺开，也就是先双电压方案后单电压方案，先豪华汽车后普通汽车，逐步实施，全面实施单电压方案过程约10年。
��汽车电源系统的由12V(HV)电源向42V电源发展已是必然趋势，这也像20世纪50年代时，将6V电源升至现行的12V(14V)电源一样不可阻挡。作为过渡阶段，会存在14V/42V双电压系统。双电压电源系统机构可能从2005或2006年起出现在欧洲顶级车型内。大约在相同的时间，美国的一些轻型载货车也可能会装备这些机构。而到2008年大约会有130万辆欧洲车辆采用42V电源系统技术。
��14/42V及42v电气系统已得到国际汽车工业界的广泛认可，因此，可以相信这一新的汽车电气系统进入实用化的时间已为期不远。由于该电气系统的固有特点，以功率半导体元器件同微电子器件相结合的控制装置，将在新的电气系统中获得大量应用，这将对传统的汽车电器带来较大的冲击，并对汽车电子、电器零部件的产业结构产生深远影响。目前，我国相关行业已对新的汽车电气系统给予了应有的关注，这一汽车新技术正进入研究起步阶段。
��总之，汽车材料技术的发展必须适应新一代汽车产品发展的要求。汽车产品设计者、材料工作者必须予以了解和研究,促进产品开发与应用。
