時(shí)間：2022-06-01 02:57:34
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電力電子器件論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：發(fā)展趨勢技術(shù)創(chuàng)新器件開發(fā)應(yīng)用推廣
1概述
自本世紀(jì)五十年代未第一只晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代電氣傳動(dòng)技術(shù)舞臺(tái)，以此為基礎(chǔ)開發(fā)的可控硅整流裝置，是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一次革命，使電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和靜止離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著電力電子的誕生。進(jìn)入70年代晶閘管開始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品，普通晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件，被稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容易和類型等方面得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的又一次飛躍，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的第三代電力電子器件，開始向大容易高頻率、響應(yīng)快、低損耗方向發(fā)展。而進(jìn)入90年代電力電子器件正朝著復(fù)臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、智能化、功率集成的方向發(fā)展，以此為基礎(chǔ)形成一條以電力電子技術(shù)理論研究，器件開發(fā)研制，應(yīng)用滲透性，在國際上電力電子技術(shù)是競爭最激烈的高新技術(shù)領(lǐng)域。論文百事通
2電力電子器發(fā)展回顧
整流管是電力電子器件中結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用最廣泛的一種器件。目前已形成普通型，快恢復(fù)型和肖特基型三大系列產(chǎn)品，電力整流管對(duì)改善各種電力電子電路的性能，降低電路損耗和提高電流使用效率等方面都具有非常重要的作用。自1958年美國通用電氣GE公司研制出第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管開始，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和工藝的改革為新器件開發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)，在以后的十年間開發(fā)研制出雙向，逆變、逆導(dǎo)、非對(duì)稱晶閘管，至今晶閘管系列產(chǎn)品仍有較為廣泛的市場。
1964年在美國第一次試制成功了0.5kV/0.01kA的可關(guān)斷的GTO至今，目前以達(dá)到9kV/0.25kA/0.8kHz的可關(guān)斷的GTO至今，目前以達(dá)到9kV/2.5kA/0.8kHZ及6kV/6kA/1kHZ的水平，在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中GTO容量量最大，但其工作頻率最低，但其在大功率電力牽引驅(qū)動(dòng)中有明顯的優(yōu)勢，因此它在中壓、大客量領(lǐng)域中占有一席之地。70年代研制出GTR系列產(chǎn)品，其額定值已達(dá)1.8kV/0.8kA/2kHZ，0.6kV/0.003kA/100kHZ，它具有組成的電路靈活成熟，開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短等特點(diǎn)，在中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛，而作為高性能，大容量的第三代絕緣柵型雙極性晶體管IGBT，因其具有電壓型控制，輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)損耗低及工作頻率高等特點(diǎn)，其有著廣闊的發(fā)展前景。而IGCT是最近發(fā)展起來的新型器件，它是在GTO基礎(chǔ)上發(fā)展起來的器件，稱為集成門極換流晶閘管，也有人稱之為發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，它的瞬時(shí)開關(guān)頻率可達(dá)20kHZ，關(guān)斷時(shí)間為1μs，dildt4kA/ms，du/dt10-20kV/ms，交流阻斷電壓6kV，直流阻斷電壓3.9kV，開關(guān)時(shí)間<2ks，導(dǎo)通壓降3600A時(shí)，2.8V，開關(guān)頻率>1000Hz。
3電力電子器件發(fā)展趨勢
進(jìn)入90年代電力電子器件的研究和開發(fā)，已進(jìn)入高頻化，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，集成化和智能時(shí)代。從理論分析和實(shí)驗(yàn)證明電氣產(chǎn)品的體積與重量的縮小與供電頻率的平方根成反比，也就說，當(dāng)我們將50Hz的標(biāo)準(zhǔn)二頻大幅的提高之后，使用這樣工頻的電氣設(shè)備的體積與重量就能大大縮小，使電氣設(shè)備制造節(jié)約材料，運(yùn)行時(shí)節(jié)電就更加明顯，設(shè)備的系統(tǒng)性能亦大為改善，尤其是對(duì)航天工業(yè)其意義十分深遠(yuǎn)的。故電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)方向，而硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊是器件發(fā)展的必然趨勢，目前先進(jìn)的模塊，已經(jīng)包括開關(guān)元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管在內(nèi)及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路多個(gè)單元，并都以標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)出系列產(chǎn)品，并且可以在一致性與可靠性上達(dá)到極高的水平。目前世界上許多大公司已開發(fā)出IPM智能化功率模塊，如日本三菱、東芝及美國的國際整流器公司已有成熟的產(chǎn)品推出。日本新電元公司的IPM智能化功率模塊的主要特點(diǎn)是：新晨
3.1它內(nèi)部集成了功率芯片，檢測電路及驅(qū)動(dòng)電路，使主電路的結(jié)構(gòu)為最簡。
3.2其功率芯片采用的是開關(guān)速度高，驅(qū)動(dòng)電流小的IGBT，且自帶電流傳感器，可以高效地檢測出過電流和短路電流，給功率芯片以安全的保護(hù)。
論文摘要 在人類所利用的能源當(dāng)中，電能是最清潔最方便的；電氣傳動(dòng)無疑有著很大的意義，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。本文在對(duì)大量國內(nèi)外文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)和論述了我國在電力電子和電力傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。
從學(xué)術(shù)的角度來看，電力電子技術(shù)的主要任務(wù)是研究電力電子器件（功率半導(dǎo)體）設(shè)備，轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制和電力電子應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電力和磁場的能量轉(zhuǎn)換、控制、傳輸和存儲(chǔ)，以便實(shí)現(xiàn)合理和有效使用的各種形式的能源，高品質(zhì)的人力的電力和磁場的能量。
1 電力電子的研究方向
就目前情況而言，我國電力電子的研究范圍與研究內(nèi)容主要包括：1）電力電子元器件及功率集成電路；2）電力電子變換器技術(shù)的研究主要包括新的或電力能源的節(jié)約和新能源電力電子，軍事和空間應(yīng)用等作為特殊的電力電子轉(zhuǎn)換器技術(shù)的智能電力電子變換器技術(shù)，控制電力電子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)仿真建模；3）電力電子技術(shù)的應(yīng)用，其研究內(nèi)容包括超高功率轉(zhuǎn)換器，在能源效率，可再生能源發(fā)電，鋼鐵，冶金，電力，電力牽引，船舶推進(jìn)應(yīng)用，電力電子系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡(luò)；電力電子系統(tǒng)的故障分析和可靠性；復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性；4）電力電子系統(tǒng)集成，其研究內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)化電力電子模塊；單芯片和多芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)，集成電力電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2 我國電力電子發(fā)展中存在的問題
當(dāng)前的主要問題是：中國的電力電子產(chǎn)品和設(shè)備目前生產(chǎn)的大部分是也主要是晶閘管，雖然它可以創(chuàng)造一些高科技電子產(chǎn)品和電氣設(shè)備，但他們都使用電力電子外國生產(chǎn)設(shè)備和多組分組裝集成的制造方法，尤其是先進(jìn)的全控型電力電子器件全部依賴進(jìn)口，而許多關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)和國家安全，在一些關(guān)鍵領(lǐng)域的核心技術(shù)，軟件，硬件和關(guān)鍵設(shè)備，我國的外資控制和封鎖。特別是在關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)和國家安全，更多先進(jìn)水平的核心技術(shù)差距的關(guān)鍵領(lǐng)域，這種情況正在迅速變化的挑戰(zhàn)和我們的道德律令。
在過去，雖然我國國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，先后引進(jìn)了國外先進(jìn)技術(shù)，已開始注意到國內(nèi)突出的問題，從表面上看，雖然對(duì)引進(jìn)技術(shù)的絕大多數(shù)可以在幾年后達(dá)到國產(chǎn)化率70％的要求，但只要仔細(xì)分析，不難發(fā)現(xiàn)，并最終拒絕外國公司轉(zhuǎn)讓技術(shù)和關(guān)鍵部件，都涉及到高科技的電力電子技術(shù)和動(dòng)力傳動(dòng)產(chǎn)品在核心技術(shù)。
目前國外和問題的主要區(qū)別是：電力電子器件的全面控制，不能制造國內(nèi)制造的高功率轉(zhuǎn)換器，低技術(shù)，設(shè)備可靠性差，電力電子數(shù)字控制技術(shù)水平仍處于初級(jí)階段；應(yīng)用程序的控制技術(shù)和系統(tǒng)控制軟件的水平較低；缺乏經(jīng)驗(yàn)的重大項(xiàng)目等。高性能高功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備幾乎全部從國外進(jìn)口。
3 電力傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀分析
目前我國電力傳動(dòng)系統(tǒng)的研究主要圍繞交流轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)展開，隨著交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論的突破和調(diào)速裝置（主要是變頻器）性能的完善，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速從直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速、晶閘管可控整流器，直流調(diào)壓調(diào)速逐步發(fā)展到交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速。交流傳動(dòng)系統(tǒng)之所以發(fā)展得如此迅速，和一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進(jìn)展有關(guān)。它們是功率半導(dǎo)體器件（包括半控型和全控型）的制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)、交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)。為了進(jìn)一步提高交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，國內(nèi)有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開：
1）輸入電流為正弦和四象限運(yùn)行開辟了新的途徑
高性能交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓型PWM逆變器中的應(yīng)用日益廣泛，PWM技術(shù)的研究更深入。 PWM功率半導(dǎo)體器件采用高頻開啟和關(guān)閉，成為一個(gè)在一定寬度的電壓脈沖序列法律的變化，為了實(shí)現(xiàn)頻率，變壓器，有效地控制和消除諧波的直流電壓。 PWM技術(shù)可分為三類：正弦PWM，優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM的電壓，電流和磁通正弦PWM計(jì)劃的目標(biāo)包括。正弦PWM普遍提高功率器件的開關(guān)頻率將是一個(gè)非常出色的表現(xiàn)，在中小功率交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等被廣泛使用。但為大容量的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，高開關(guān)頻率將導(dǎo)致大的開關(guān)損失，以及高功率設(shè)備，如GTO的開關(guān)頻率仍不做的非常高的在這種情況下，在最佳的PWM技術(shù)只是滿足的需求該設(shè)備。
2）應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論
交流電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變控制對(duì)象，變頻調(diào)速控制，電機(jī)控制的穩(wěn)定狀態(tài)方程的研究動(dòng)態(tài)控制非常令人滿意的結(jié)果的特點(diǎn)。 70年代初提出研究交流電機(jī)的控制過程的動(dòng)態(tài)，不僅要控制每個(gè)變量的振幅，而控制的階段，為了實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦矢量變換方法，促使高性能交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸向?qū)嶋H使用。高動(dòng)態(tài)性能的電流矢量控制變頻器已成功應(yīng)用于軋機(jī)主傳動(dòng)，電力牽引系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床。此外，為了解決系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制精度之間的矛盾，但也提出一個(gè)新的控制方法，如直接轉(zhuǎn)矩控制，方向控制電壓，特別是與微處理器控制技術(shù)，現(xiàn)代控制理論在各種控制方法也得到了應(yīng)用，如二次型性能指標(biāo)最優(yōu)控制和雙位模擬調(diào)節(jié)器控制，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，滑（滑模）變結(jié)構(gòu)控制可以提高系統(tǒng)的魯棒性，狀態(tài)觀測器和卡爾曼濾波器可以得到狀態(tài)信息不能測量，自適應(yīng)控制能夠全面提高系統(tǒng)的性能。此外，智能控制技術(shù)，如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，也開始在交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于提高控制精度和魯棒性。
3）廣泛應(yīng)用微電子技術(shù)
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor——DSP）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲(chǔ)存器、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。核心控制算法的實(shí)時(shí)完成、功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)功能都可以通過微處理器實(shí)現(xiàn)，為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，使得微處理器組成的全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價(jià)格比。
4 結(jié)論
雖然我國電力電子與電力系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)得到了長足的發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比仍然存在較大差距，許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，關(guān)鍵部件還長期依賴進(jìn)口的局面還沒有打破。
參考文獻(xiàn)
論文摘要：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，在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與實(shí)際工程也取得了可喜成績。
1前言
電力電子技術(shù)是一個(gè)以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺(tái)。經(jīng)過50年的發(fā)展歷程，它在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)設(shè)備發(fā)行、電能質(zhì)量控制、新能源開發(fā)和民用產(chǎn)品等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。最成功地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的大功率電力電子技術(shù)是直流輸電（HVDC）。自20世紀(jì)80年代，柔流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。本文介紹了電力電子技術(shù)在發(fā)電環(huán)節(jié)中、輸電環(huán)節(jié)中、在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用和節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用。
2電力電子技術(shù)的應(yīng)用
自20世紀(jì)80年代，柔流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻(xiàn)介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。
2.1在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性為主要目的。
2.1.1大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制
靜止勵(lì)磁采用晶閘管整流自并勵(lì)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵(lì)磁機(jī)這個(gè)中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進(jìn)的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。
2.1.2水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁
水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當(dāng)水頭的變化幅度較大時(shí)（尤其是抽水蓄能機(jī)組），機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速變隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機(jī)組變速運(yùn)行，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。
2.1.3發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速
發(fā)電廠的廠用電率平均為8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%，且運(yùn)行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實(shí)施風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，可以達(dá)到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并不完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開發(fā)。
2.2在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。
2.2.1直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDCLight）技術(shù)
直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。
2.2.2柔流輸電（FACTS）技術(shù)
FACTS技術(shù)的概念問世于20世紀(jì)80年代后期，是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。
20世紀(jì)90年代以來，國外在研究開發(fā)的基礎(chǔ)上開始將FACTS技術(shù)用于實(shí)際電力系統(tǒng)工程。其輸出無功的大小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應(yīng)用。2.3在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用
配電系統(tǒng)迫切需要解決的問題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿足對(duì)電壓、頻率、諧波和不對(duì)稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力（CustomPower）技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術(shù)。可以將DFACTS設(shè)備理解為FACTS設(shè)備的縮小版，其原理、結(jié)構(gòu)均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場介入相對(duì)容易，開發(fā)投入和生產(chǎn)成本相對(duì)較低，隨著電力電子器件價(jià)格的不斷降低，可以預(yù)期DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將進(jìn)入快速發(fā)展期。
2.4在節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用
2.4.1變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行
電動(dòng)機(jī)本身挖掘節(jié)電潛力只是節(jié)電的一個(gè)方面，通過變負(fù)荷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)節(jié)電又是另一個(gè)方面，只有將二者結(jié)合起來，電動(dòng)機(jī)節(jié)電方較完善。目前，交流調(diào)速在冶金、礦山等部門及社會(huì)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。首先是風(fēng)機(jī)、泵類等變負(fù)荷機(jī)械中采用調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量具有顯著的效果。國外變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、水泵大多采用了交流調(diào)速，我國正在推廣應(yīng)用中。
變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無級(jí)調(diào)速。在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，節(jié)電率一般可達(dá)30%左右。其缺點(diǎn)主要為：成本高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。
2.4.2減少無功損耗，提高功率因數(shù)
在電氣設(shè)備中，變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)等都屬于感性負(fù)載，這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無功平衡，否則，將會(huì)使系統(tǒng)電壓降低，設(shè)備破壞，功率因數(shù)下降，嚴(yán)懲時(shí)會(huì)引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故。所以，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無功容量不足時(shí)，應(yīng)增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)。
1.分析電路盡量使用多媒體。
電力電子技術(shù)的核心就是整流、逆變、斬波和交交變換四大基本電路，在電路工作過程的分析中，通常一個(gè)電路都有多個(gè)工作狀態(tài)，不同的工作狀態(tài)又分別對(duì)應(yīng)著不同的電壓電流波形，也就是說電路的工作過程往往都是動(dòng)態(tài)的過程，而傳統(tǒng)的書本上的文字和原理圖是無法很好地展現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程的。這時(shí)，如果采用幻燈片等多媒體形式，可以將電路工作的動(dòng)態(tài)過程很好地展現(xiàn)給學(xué)生們觀看，把書本上靜態(tài)的電路以及波形圖動(dòng)起來，這樣就能夠讓學(xué)生們更好地理解電力電子電路的工作過程。與此同時(shí)，結(jié)合書本上的理論，再將不同電路的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，使同學(xué)們復(fù)習(xí)時(shí)結(jié)合著書中的理論，頭腦中聯(lián)想著多媒體演示動(dòng)畫，便會(huì)在學(xué)習(xí)中事半功倍，容易記憶，提高學(xué)生的分析計(jì)算和實(shí)際解題的能力。
2.器件與控制部分應(yīng)注重練習(xí)。
電力電子器件及控制部分具有覆蓋面大、定性與定量相結(jié)合的特點(diǎn)，學(xué)好這一部分，就必須將概念的理解與相關(guān)的計(jì)算進(jìn)行練習(xí)，在習(xí)題式的教學(xué)中，不斷提高分析問題和解決問題的能力。研究生階段，各高校幾乎很少帶領(lǐng)學(xué)生做與課程相關(guān)的習(xí)題，多數(shù)學(xué)生也只有在考試的時(shí)候才有機(jī)會(huì)在試卷中解答一些問題，雖說現(xiàn)在不提倡傳統(tǒng)針對(duì)考試的題海戰(zhàn)術(shù)，但是平時(shí)適當(dāng)做一些典型的練習(xí)還是有必要的，電力電子器件種類多、特點(diǎn)各不相同，而控制方法也有很多，甚至與自動(dòng)控制原理等其他學(xué)科相關(guān)聯(lián)，在教學(xué)中適當(dāng)找一些典型例題進(jìn)行講解，可以讓同學(xué)們?cè)诜彪s的知識(shí)中抓住重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行突破，最終掌握這部分知識(shí)要點(diǎn)。
3.學(xué)生自主參與新技術(shù)教學(xué)。
電力電子技術(shù)具有發(fā)展速度快的特點(diǎn)，新的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)，加強(qiáng)電力電子新技術(shù)的教學(xué)可以擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面，掌握電力電子技術(shù)發(fā)展新方向。這一部分的特點(diǎn)是沒有定量計(jì)算、難度不大、但對(duì)于資料的收集工作量比較大，根據(jù)這些特點(diǎn)，在教學(xué)中，可以將這部分安排給每個(gè)學(xué)生進(jìn)行講解，在講解前每個(gè)同學(xué)查找相關(guān)資料，然后對(duì)資料進(jìn)行分類總結(jié)，加入自己的理解，在講解過程中既可以使用多媒體也可使用板書的形式，講解后學(xué)生之間可以相互提出問題，相互討論，形成良好的研究氛圍。在這種學(xué)生自主教學(xué)的過程中，既提高了學(xué)生查找資料的能力，也能提高學(xué)生的概括的創(chuàng)新能力，還為研究生畢業(yè)學(xué)術(shù)論文的撰寫提供了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)。
二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)進(jìn)行分類
電力電子技術(shù)是一個(gè)應(yīng)用性很強(qiáng)的一門學(xué)科，在理論教學(xué)的同時(shí)一定要有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來配合和補(bǔ)充，開設(shè)實(shí)驗(yàn)課是對(duì)理論課的延伸和補(bǔ)充，更能夠突出應(yīng)用型學(xué)科的特色。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，應(yīng)分為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)習(xí)三個(gè)部分進(jìn)行教學(xué)。
1.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)應(yīng)緊密結(jié)合課本。
驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是對(duì)已經(jīng)有的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與學(xué)生的理論教學(xué)緊密銜接，通過書上的理論來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的操作，同時(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果又可以加深學(xué)生對(duì)于書本理論的深度理解。在理論課程之后，應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程相跟進(jìn)，在實(shí)驗(yàn)開始前，老師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)課本知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行回顧，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)步驟，同學(xué)們按照實(shí)驗(yàn)要求完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，并能夠運(yùn)用書本上的知識(shí)來解釋實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象，最后通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式進(jìn)行總結(jié)，得出驗(yàn)證性的結(jié)論。
2.鼓勵(lì)開展探究性試驗(yàn)。
電力電子技術(shù)是一門正在快速發(fā)展的學(xué)科，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主探究，通過對(duì)已有知識(shí)的學(xué)習(xí)讓學(xué)生們充分發(fā)揮想象力，制作一些相關(guān)的小制作、小發(fā)明，在探究性試驗(yàn)的過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生根據(jù)自己掌握的知識(shí)，結(jié)合當(dāng)今電力電子發(fā)展的前沿技術(shù)，加上自己的想象力和創(chuàng)造力，獨(dú)立設(shè)計(jì)出屬于自己的電子作品，而在探究的過程中難免會(huì)遇到一些問題，這時(shí)老師應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)指導(dǎo)，給出一些方案，讓學(xué)生自主解決實(shí)際問題。平時(shí)盡可能地開放實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生增加動(dòng)手操作機(jī)會(huì)。此外還應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生參加“挑戰(zhàn)杯”等科技比賽，增加在創(chuàng)新方面的交流合作，從而學(xué)會(huì)更多解決問題的新方法。
3.拓展實(shí)習(xí)應(yīng)突出實(shí)際應(yīng)用。
在傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)之外，對(duì)于電力電子技術(shù)這種應(yīng)用型很強(qiáng)的學(xué)科，應(yīng)適當(dāng)組織學(xué)生到某個(gè)單位進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)的目的是為了應(yīng)用，當(dāng)今電力電子技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在了許多領(lǐng)域之中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以聯(lián)系某個(gè)具體單位進(jìn)行參觀，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，讓學(xué)生們更加具體地了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用。除了參觀之外，也可由老師或者學(xué)生找一些與電力電子技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的視頻資料，分享給大家進(jìn)行觀看，也可以起到非常好的效果。實(shí)習(xí)結(jié)束之后，學(xué)生以報(bào)告的形式寫出自己學(xué)到了什么或者是心得體會(huì)。這樣，理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)于理工科的教學(xué)是有很大幫助的。
三、總結(jié)
科研團(tuán)隊(duì)：瞄準(zhǔn)前沿，勇于超越
“大功率電力電子技術(shù)”課題組依托于武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，主要從事配電系統(tǒng)內(nèi)適用于節(jié)能和電能質(zhì)量控制的大功率電力電子裝置的開發(fā)和應(yīng)用研究。該課題組在查曉明教授的帶領(lǐng)下，幾年如一日地在大功率電力電子技術(shù)領(lǐng)域辛勤耕耘，至今已發(fā)展成為一個(gè)擁有1名副教授、3名講師、1名在站博士后、10名博士研究生、10名碩士研究生的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)。
課題組成立以來始終堅(jiān)守“基礎(chǔ)理論研究與工程應(yīng)用實(shí)踐并重”的原則，行走在電力科技領(lǐng)域的前沿，充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢，依靠武漢大學(xué)豐富的科研與教學(xué)資源，與國內(nèi)多家企業(yè)以及電力公司保持良好和持久的合作往來，在大功率電力電子變換裝置及其應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了良好的成績。在大功率電力電子系統(tǒng)的控制理論上，他們建立了以多電平PWM電力電子變流器功率變換器控制為基礎(chǔ)的大功率電力電子系統(tǒng)控制理論和方法。該方法把電力電子技術(shù)中的功率變換控制特點(diǎn)與系統(tǒng)應(yīng)用要求進(jìn)行有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大功率電力電子系統(tǒng)的并網(wǎng)有功和無功電流控制、電能質(zhì)量控制以及并聯(lián)或串聯(lián)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓和均衡控制，并成功地在有源電力濾波器、STATCOM等裝置中得到應(yīng)用。而從該系統(tǒng)的控制技術(shù)角度出發(fā)，他們又建立了以DSP與FPGA相結(jié)合的數(shù)字控制硬件平臺(tái)，開展了各種電力電子系統(tǒng)的數(shù)字控制算法的應(yīng)用研究，并在該硬件平臺(tái)上充分利用了FPGA近似布線邏輯的并行計(jì)算和高可靠性的特點(diǎn)，克服了單獨(dú)DSP系統(tǒng)程序控制易受干擾中斷問題，進(jìn)而將兩者結(jié)合并對(duì)有關(guān)控制算法進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)了串行和并行計(jì)算的結(jié)合，形成了一種具有高可靠性的控制算法實(shí)現(xiàn)方法。目前，基于該硬件平臺(tái)的有源濾波器控制算法、STATCOM控制算法、逆變電源控制算法以及高壓變頻器的V／f控制算法均可在其中實(shí)現(xiàn)。
其次，就大功率電力電子器件IGBT的驅(qū)動(dòng)技術(shù)而言，課題組以M57962模塊為核心，自行研制的高電磁兼容能力的輔助開關(guān)電源為IGBT驅(qū)動(dòng)電源，不僅實(shí)現(xiàn)了可靠和完善的過流保護(hù)、可靠的IGBT通斷檢測功能，而且還可以輔助抗瞬態(tài)電壓沖擊電路，具有可編程功能，提供了有效的光纖接口。此外在大功率電力電子裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)上課題組有其專攻之道，基于頻域能量變換模型的電力電子設(shè)計(jì)理論和方法也正在發(fā)展之中，逆變器專用高頻大電流電抗器設(shè)計(jì)與制作、電力電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真等方面都有其獨(dú)到之處。
通過對(duì)大功率電力電子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究，課題組完成了基于功率單元級(jí)聯(lián)的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在STATCOM和高壓變頻器中的應(yīng)用，并在混合式有源電力濾波器、多臺(tái)逆變器并聯(lián)的有源電力濾波器、四象限運(yùn)行的PWM變流器、程控交流調(diào)壓電源逆變器以及具有綜合節(jié)能特點(diǎn)的工業(yè)企業(yè)新型配電電源系統(tǒng)中形成了獨(dú)具特色的理論研究。“基于α－β坐標(biāo)變換的有源電力濾波器和STATCOM技術(shù)”、“低能耗的逆變器試驗(yàn)平臺(tái)”、“通用電力電子試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)方法”等已獲專利授權(quán)，“先進(jìn)的電能質(zhì)量試驗(yàn)電源技術(shù)”也正在專利申請(qǐng)之中。
在實(shí)踐的過程中，他們不僅積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，而且形成了一套獨(dú)特的科研方法和理念。談及自己的課題組，查曉明教授頗為自豪地介紹“多年來，我們主要在大功率電力電子系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)研究、大功率電力電子器件IGBT的驅(qū)動(dòng)技術(shù)、大功率電力電子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究以及大功率電力電子裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)上做了一系列的工作，較好地解決了復(fù)雜大功率電力電子系統(tǒng)及其應(yīng)用的可靠性和性能方面存在的問題。這些成果都取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)聲譽(yù)。目前，高壓變頻器已經(jīng)成功產(chǎn)業(yè)化，直接產(chǎn)生了數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)效益，有源電力濾波器，STATCOM等產(chǎn)品逐步在工業(yè)電力系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用。”
學(xué)術(shù)靈魂：拓新求真，攜手并進(jìn)
作為“大功率電力電子技術(shù)”課題組的“靈魂人物”，查曉明教授有著豐富的求學(xué)經(jīng)歷：他分別于1989年，1992年，2001年取得武漢大學(xué)應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)工學(xué)學(xué)士、電力電子技術(shù)專業(yè)碩士，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)博士學(xué)位：2001年10月至2003年6月，他遠(yuǎn)赴加拿大的University of Alberta做博士后研究。一直以來，他主要從事電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科的教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮酉到y(tǒng)的分析與綜合理論，大功率電力電子裝置及其在電能質(zhì)量控制，高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、柔性輸電、新能源及微電網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用，并取得了驕人的成績。如今，年僅42歲的他，身上已是圍繞著多重的“光環(huán)”――武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，電力電子技術(shù)研究所所長，IEEE會(huì)員，武漢電源學(xué)會(huì)副理事長，從教學(xué)到科研、從行政到學(xué)術(shù)，無不顯示出他的忙碌與充實(shí)。在科研上，他碩果累累，先后在國內(nèi)外重要會(huì)議和期刊上40多篇，其中三大檢索收錄20篇：他主持和參加了國防“973”項(xiàng)目專題、武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目、國家電力公司青年科技促進(jìn)費(fèi)項(xiàng)目，武漢市青年晨光計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金以及多項(xiàng)企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，在電能質(zhì)量控制、新能源并網(wǎng)控制以及電氣節(jié)能等方面取得多項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品與成果，并獲發(fā)明專利4項(xiàng)、實(shí)用新型專利3項(xiàng)。
查曉明教授無疑是成功的，然而他并不滿足于個(gè)人的榮譽(yù)和成就，而是更注重整個(gè)課題組的前進(jìn)與發(fā)展。他總是這樣告誡課題組內(nèi)的每一個(gè)年輕教師，博士和碩士研究生，科學(xué)研究需要的是鍥而不舍的精神，工程應(yīng)用需要的是嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神，理論研究和實(shí)踐應(yīng)用總是相伴而生、相輔相成的。無論是物理學(xué)中的力學(xué)、電磁學(xué)還是數(shù)學(xué)分析方法，無論是電機(jī)、電力系統(tǒng)還是系統(tǒng)分析與控制理論，對(duì)每一個(gè)求學(xué)的研究生來說，都是必須具備的知識(shí)。只有這樣，才能在工程應(yīng)用中把握住每一個(gè)細(xì)小的環(huán)節(jié)，從中提煉出真正的科學(xué)問題，從而開展真正的科學(xué)研究工作。也基于此，查曉明教授的書桌上總是堆滿了經(jīng)典力學(xué)，電動(dòng)力學(xué)、微分幾何等書籍，并且常常向很多前輩請(qǐng)教學(xué)術(shù)問題，甚至經(jīng)常性地和研究生們一起探討電力電子裝置能量轉(zhuǎn)換的物理過程。
關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；開關(guān)電源
現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件，綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交又技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具 體應(yīng)用。
當(dāng)前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來，電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng) 濟(jì)、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1. 電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。
1.1 整流器時(shí)代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機(jī)提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費(fèi)的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡虼嗽诹甏推呤甏蠊β使枵鞴芎途чl管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時(shí)的產(chǎn)物。
1.2 逆變器時(shí)代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī)，交流電機(jī)變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取＿@時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3 變頻器時(shí)代
進(jìn)入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能，實(shí)現(xiàn)小型輕量化，機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2. 現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1 計(jì)算機(jī)高效率綠色電源
高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì)，同時(shí)也促進(jìn)了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代，計(jì)算機(jī)全面采用了開關(guān)電源，率先完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源，根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日"能源之星"計(jì)劃規(guī)定，桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)備，在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高頻開關(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機(jī)用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代，高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年，開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大，單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護(hù)，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上，對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源)， 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術(shù)，開關(guān)頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化，因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。
2.4 不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流，經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量，另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速，已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5 變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器， 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年，其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào)，96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器，逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略，精選功能組件，是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。
2.6 高頻逆變式整流焊機(jī)電源
高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源，代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合， 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。
由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題，也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器，通過對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析，達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A，負(fù)載持續(xù)率60%，全載電壓60~75V，電流調(diào)節(jié)范圍5~300A，重量29kg。
2.7 大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV，電流達(dá)到0.5A以上，功率可達(dá)100kW。
自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術(shù)，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓。進(jìn)入80年代，高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件，將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。
國內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制，市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷鳎捎萌珮蛄汶娏鏖_關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下，輸出直流電壓達(dá)到55kV，電流達(dá)到15mA，工作頻率為25.6kHz。
2.8 電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí)，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂"電力公害"，例如，不可控整流加電容濾波時(shí)，網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流; (2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。
2.9 分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件，利用最新理論和技術(shù)成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期，對(duì)分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)，結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù)，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn)，論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3. 高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對(duì)于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會(huì)大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中，更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率，從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù)，更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。
3.1 高頻化
理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的 5~l0%。無論是逆變式整流焊機(jī)，還是通訊電源用的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合 閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造， 成為"開關(guān)變換類電源"，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。
3.2 模塊化
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實(shí)質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM)，不但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM)，它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、 機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上，就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。這樣，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求， 而且通過增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。
轉(zhuǎn)貼于 3.3 數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù) 擬電路基礎(chǔ)上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以，在八、九十年代，對(duì)于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，模擬技術(shù)還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術(shù)的知識(shí)，但是對(duì)于智能化的開關(guān)電源，需要用計(jì)算機(jī)控制時(shí)，數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4 綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電， 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上，許多功率電子節(jié)電設(shè)備，往往會(huì)變成對(duì)電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之，電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn)，將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟，實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源，僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對(duì)其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動(dòng)，并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：軟啟動(dòng)，選型，探討
“軟啟動(dòng)”設(shè)備在煤礦井下已得到廣泛的使用，如CST、恒充式和閥控充液式液力偶合器、調(diào)速型液力偶合器、變頻軟啟動(dòng)、高壓軟啟動(dòng)、變極調(diào)速等。本文將從“軟啟動(dòng)”設(shè)備的類型、性能特點(diǎn)以及國內(nèi)“軟啟動(dòng)”設(shè)備調(diào)研情況出發(fā)，闡述適應(yīng)煤礦井下條件的“軟啟動(dòng)”類型，目的是選擇合適的技術(shù)，既講求實(shí)效，又節(jié)電增益，確保設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
1.“軟啟動(dòng)”是煤礦大型、重型設(shè)備啟動(dòng)的必然要求
近年來，為適應(yīng)復(fù)雜礦區(qū)的煤層開采條件，設(shè)備選型朝大型化、重型化方向發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)“設(shè)備現(xiàn)代化，系統(tǒng)自動(dòng)化，管理信息化”。因此，隨著裝機(jī)功率、裝備水平的提高，起動(dòng)問題將成為設(shè)備選型的關(guān)鍵問題，“軟啟動(dòng)”也必將成為設(shè)備選型的唯一選擇。
所謂的“軟啟動(dòng)”實(shí)際上就是對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)過程進(jìn)行控制，按其預(yù)定的、合理的啟動(dòng)加速度啟動(dòng)。例如，輸送膠帶機(jī)啟動(dòng)，由公式：
FQ=FZ+∑M·a
FQ————啟動(dòng)時(shí)輸送機(jī)的圓周力
FZ————正常運(yùn)行時(shí)輸送機(jī)的圓周力
∑M———輸送機(jī)總的等效質(zhì)量（包括其上的貨物）
a—————啟動(dòng)加速度
由上式可見，啟動(dòng)加速度大，啟動(dòng)時(shí)的圓周力越大。啟動(dòng)所需的功率越大，傳動(dòng)系統(tǒng)本身所受到的啟動(dòng)沖擊越大，對(duì)關(guān)鍵零部件破壞力就越大。使用“軟啟動(dòng)”技術(shù)，啟動(dòng)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，設(shè)備的故障率大大降低，同時(shí)供電系統(tǒng)的啟動(dòng)條件、保護(hù)條件都容易得到滿足。設(shè)備的裝機(jī)功率越大，設(shè)備對(duì)“軟啟動(dòng)”要求就會(huì)越強(qiáng)烈。因此，“軟啟動(dòng)”是煤礦大型、重型設(shè)備啟動(dòng)的必然選擇。
2.“軟啟動(dòng)”設(shè)備類型分析
國內(nèi)外采用的兩種“軟啟動(dòng)”類型：一種是調(diào)節(jié)偶合器轉(zhuǎn)速，即機(jī)械“軟啟動(dòng)”；另一種是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，即電氣“軟啟動(dòng)”。因電氣“軟啟動(dòng)”控制的是電機(jī)，因此系統(tǒng)得以簡化。
2.1機(jī)械“軟啟動(dòng)”裝置
2.1.1恒充式液力偶合器
恒充式液力偶合器代表產(chǎn)品為福伊特恒充式液力偶合器。其主要部件為兩個(gè)葉輪——泵輪和渦輪，以及外輪殼。兩個(gè)葉輪相向安裝，動(dòng)力傳動(dòng)部件間沒有機(jī)械接觸，動(dòng)力傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)最小的機(jī)械磨損。偶合器內(nèi)有恒定容積的工作液體，通常為礦物油。驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩在與之相連的泵輪中轉(zhuǎn)變成工作液體的流動(dòng)能量，然后在渦輪中將這種流動(dòng)能量重新轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。力矩的建立取決于偶合器的特性曲線，同時(shí)啟動(dòng)特性受到適當(dāng)組合的補(bǔ)償腔(延充腔，側(cè)輔腔)的影響。
2.1.2閥控充液式液力偶合器
其代表產(chǎn)品為福伊特閥控充液式液力偶合器，原理同恒充式液力偶合器，結(jié)構(gòu)上它減少“延充腔，側(cè)輔腔”，增加了充液閥和進(jìn)液閥，用充進(jìn)閥來控制偶合器內(nèi)部的水量和水交換，從而能平穩(wěn)而迅速地建立力矩。
2.1.3調(diào)速型液力偶合器
調(diào)速型液力偶合器和以上兩種的原理基本相同，只是偶合器腔體內(nèi)液體量的調(diào)節(jié)方式不一樣，調(diào)速型液力偶合器選用油作傳遞動(dòng)力的液體，采用導(dǎo)流管（勺桿）機(jī)構(gòu)位置變化來調(diào)節(jié)腔體內(nèi)液體量的多少，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
2.1.4液粘型“軟啟動(dòng)”裝置
液粘型軟啟動(dòng)裝置是根據(jù)液體粘性傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置。
液粘離合器功率傳遞的主體部件是兩組彼此穿插的摩擦片，油從其中強(qiáng)制通過。論文格式。兩組摩擦片中的一組稱主動(dòng)摩擦片（主動(dòng)摩擦片可以軸向移動(dòng)），與輸入軸接連，另一組稱從動(dòng)磨擦片，與輸出軸連接，通過控制離合器工作活塞的油壓來改變兩組摩擦片（對(duì)偶片）的間距，從而增減它們之間的粘著力，完成液粘離合器的調(diào)速功能。
2.1.5 CST“軟啟動(dòng)”裝置
CST主要由一級(jí)普通斜齒輪傳動(dòng)加一級(jí)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)、液體粘性制動(dòng)器、傳感器以及液壓驅(qū)動(dòng)裝置等機(jī)械和電子部件組成。
這種“軟啟動(dòng)”裝置與減速箱合二為一，它利用了行星差動(dòng)輪系特點(diǎn)，將內(nèi)齒圈作為第二個(gè)輸入主動(dòng)件，用液粘制動(dòng)器（同液粘軟啟動(dòng)裝置中的液粘偶合器）來控制內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速，從而控制輸出軸的轉(zhuǎn)速。
2.2電氣“軟啟動(dòng)”裝置
2.2.1變極“軟啟動(dòng)”裝置
這種軟啟動(dòng)就是使用多極（多速）電機(jī)，采用多回路組合開關(guān)，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠，運(yùn)行效率高，控制線路很簡單，容易維護(hù)，對(duì)電網(wǎng)干擾小，初始投資低。但它不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，只能分級(jí)調(diào)速，從而限制了它的使用范圍。
2.2.2調(diào)壓“軟啟動(dòng)”裝置
從電機(jī)原理知道，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩在一定轉(zhuǎn)差率下，與定子電壓平方成正比，改變定子電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。論文格式。目前廣泛使用可控硅交流開關(guān)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)壓。盡管這種軟啟動(dòng)采用了先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，使系統(tǒng)控制精度提高，抗擾能力增強(qiáng)，但轉(zhuǎn)子損失大將限制這種調(diào)速方法的使用。
2.2.3變頻“軟啟動(dòng)”裝置
變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率來改變旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的，在綜采綜掘系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣的交－直－交變頻器，它是借助微電子器件、電力電子器件和控制技術(shù)，先將工頻電源經(jīng)整流成直流，再由電力電子器件逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的交流電源，整個(gè)變頻裝置稱為變頻器。
3.幾種“軟啟動(dòng)”裝置的性能比較
3.1機(jī)械與電氣“軟啟動(dòng)”裝置的性能比較
機(jī)械“軟啟動(dòng)”CST最具有代表性，電氣“軟啟動(dòng)”調(diào)壓和變頻最具有代表性，因此，將最具代表性的“軟啟動(dòng)”放在一起，見下表。
關(guān)鍵詞：FPGA SA4828波形發(fā)生器 三相交流異步電動(dòng)機(jī) 變頻調(diào)速 SPWM
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（c）-0127-02
所謂變頻就是利用電力電子器件（如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT）將50 Hz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻（又稱交-交變頻）和間接變頻（又稱交-直-交變頻），后者又分為諧振變頻和方波變頻。方波變頻又分為等幅等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波（調(diào)制波）與三角波（載波）比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等[3]。
本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的題目屬于間接變頻調(diào)速技術(shù)。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護(hù)部分等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。
1 系統(tǒng)簡介
1.1 交流異步電動(dòng)機(jī)
三相異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子是靜止不動(dòng)的部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，在定子與轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，以保證轉(zhuǎn)子的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 SPWM技術(shù)
SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技術(shù)，即在PWM的基礎(chǔ)之上，改變調(diào)制脈沖的方式。脈沖寬度和時(shí)間占空比按正弦規(guī)率變化，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波就可以做到輸出正弦波。
產(chǎn)生SPWM信號(hào)的方法是用一組等腰三角波（稱為載波）與一個(gè)正弦波（稱為調(diào)制波）進(jìn)行比較，如圖2所示，兩波形的交點(diǎn)作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時(shí)刻。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時(shí)，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時(shí)，開關(guān)器件關(guān)斷。
2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
基于FPGA的交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，以FPGA為核心控制芯片，利用SA4828芯片產(chǎn)生SPWM波，再通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變開關(guān)。再加上電路，保護(hù)電路等，構(gòu)成整個(gè)完整系統(tǒng)。
本設(shè)計(jì)為交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，主要涉及主電路和控制電路兩大部分（如圖3）。
系統(tǒng)各組成部分簡介。
供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220 V，中大功率的采用三相380 V電源。
整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流電，必須加以濾波。此處采用三相不可控整流，用不可控的二極管組成三相橋式整流電路。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。
濾波電路：此處采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。
逆變電路：逆變部分將直流電逆變成我們需要的交流電。在設(shè)計(jì)中采用三相橋式逆變，開關(guān)器件選用全控型開關(guān)管IGBT。
以上四個(gè)部分組成主電路，其余部分為控制電路。
電流電壓檢測：一般在中間直流端采集信號(hào)，作為過壓，欠壓，過流保護(hù)信號(hào)。
控制電路：采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828，F(xiàn)PGA芯片選ALTER公司Cyclone Ⅱ系列芯片。控制電路的主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過光電隔離后去驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的關(guān)斷。從而得到與信號(hào)電路對(duì)稱的SPWM波。
此處選用電動(dòng)機(jī)原始參數(shù)如下：
額定功率PN：7.5 kW；
額定電壓UN：380 V；
額定電流IN：15.6 A；
效率：86%；
功率因數(shù)：0.85；
過載系數(shù)：=2.2；
極對(duì)數(shù)：p=2。
3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
電壓頻率曲線可以分為兩段，在額定電壓一下，電壓頻率成正比。當(dāng)電壓上升到額定頻率后，不在上升。
對(duì)于恒負(fù)載時(shí)，由前面章節(jié)分析可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)與其電源頻率成正比。轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系曲線如圖4所示。
4 結(jié)論
本文采用FPGA控制三相PWM波專用芯片SA4828。具有電源頻率可調(diào)，刪除窄脈沖，響應(yīng)速度快，可現(xiàn)場編程等特點(diǎn)。最終驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和有效性。系統(tǒng)中還有過流保護(hù)和過壓保護(hù)等。還可以通過FPGA監(jiān)視系統(tǒng)的其他故障，SA4828芯片還提供在緊急情況下急停的功能。在這種內(nèi)部控制保護(hù)與電路保護(hù)相結(jié)合的方式，保證了電機(jī)的安全運(yùn)行。
但系統(tǒng)也存在許多不足之處，如控制方案的實(shí)現(xiàn)不夠精確，F(xiàn)PGA芯片選擇上不夠經(jīng)濟(jì)，檢測保護(hù)電路不夠完善，這些問題有待進(jìn)一步研究解決。
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關(guān)鍵詞：變頻器 自動(dòng)稱重 準(zhǔn)確度 數(shù)據(jù)采集
中圖分類號(hào)：TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0074-03
1 漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
LY-ZDB型漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)由操作站、電子稱、包裝機(jī)、打印機(jī)、液壓工作站、PLC控制等部分組成，如所圖1示[12]。
2 漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)
漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)硬件大致分為生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、稱和儀表、打印機(jī)、工控機(jī)、PLC、掃描槍、傳感和執(zhí)行機(jī)構(gòu)幾部分，詳見圖2。其中，漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)所涉及的基本知識(shí)有變頻器及異步電機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換知識(shí)、IGBT模塊柵極驅(qū)動(dòng)的基本知識(shí)、PLC知識(shí)、485通訊電路、秤的基本知識(shí)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)基本知識(shí)[2，13]。
軟件部分也是本文的重要組成部分，其中本文的軟件主要分四個(gè)模塊，即對(duì)PLC執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)控制命令模塊；對(duì)稱體儀表的通訊（RS485）模塊；讀取儀表數(shù)值，對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印模塊；對(duì)條形碼的讀取、識(shí)別模塊。而對(duì)于處理所得的大量數(shù)據(jù)，本軟件系統(tǒng)中采用MS SQL SERVER 2000的大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)[7，16]。
2.2 變頻器
2.2.1 變頻器對(duì)外部控制的實(shí)現(xiàn)
變頻器外部接口的主要作用是用戶能夠根據(jù)系統(tǒng)的不同需要進(jìn)行各種功能組態(tài)與操作，并與其他電路一起構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)[3，14]，如圖3所示。
變頻器的外部接口電路通常包括：邏輯控制指令電路、頻率指令輸入輸出電路、過程參數(shù)監(jiān)測信號(hào)電路、通信接口電路和數(shù)字信號(hào)輸入輸出電路等。變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部接線基本，其中包括主動(dòng)源、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)單元等。而變頻器對(duì)外部的控制也是通過這些外部接口來實(shí)現(xiàn)的，其對(duì)外部的控制主要包括自動(dòng)起停控制和速度調(diào)節(jié)。自動(dòng)起停控制，即要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重就要實(shí)現(xiàn)物料傳輸?shù)淖詣?dòng)運(yùn)行和速度自動(dòng)調(diào)節(jié)。自動(dòng)運(yùn)行指的是電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)并運(yùn)行和自動(dòng)停止，F(xiàn)R端子輸出信號(hào)（高電平1、低電平0）來觸動(dòng)外部中間繼電器從而控制主回路運(yùn)行。速度調(diào)節(jié)，它是通過變頻器的+V、VRF、COM三個(gè)端口來自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)對(duì)物料的傳輸速度，即通過A/D轉(zhuǎn)換控制運(yùn)算電路，從而控制逆變電路，實(shí)現(xiàn)輸出頻率的變換。
整流器是將交流變?yōu)橹绷鳎交娐穭t將直流電平滑，逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。其中，為了電動(dòng)機(jī)的調(diào)速傳動(dòng)，所需的操作量有電壓、電流、頻率[8～11]。
2.2.2 變頻器的設(shè)備及選件
變頻器的設(shè)備主要是用來構(gòu)成更好的調(diào)速系統(tǒng)或節(jié)能系統(tǒng)，選用設(shè)備通常也是為了提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，提高變頻器的某種性能，增加對(duì)變頻器和電機(jī)的保護(hù)，減少變頻器對(duì)其他設(shè)備的影響。
其中，變頻器的設(shè)備主要有：輸入變壓器、空氣斷路器、交流接觸器、交流電抗器、濾波器、直流電抗器、制動(dòng)電阻等。在本系統(tǒng)中，除了低壓斷路器、交流接觸器選件外，還增加了中間控制繼電器、電位器（用于改變輸入模擬量），另外還有PLC開關(guān)量模塊。
在實(shí)際的自動(dòng)稱重系統(tǒng)中，變頻器和設(shè)備要能實(shí)現(xiàn)電機(jī)緩慢增長和緩慢停止，避免啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)的沖擊，以避免貨物的不穩(wěn)定和不安全[4]。
2.3 變頻器與異步電機(jī)
2.3.1 變頻調(diào)速
變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路主要包括控制運(yùn)算電路、信號(hào)檢測電路、門極（基極）驅(qū)動(dòng)隔離電路、外部接口電路、保護(hù)電路和數(shù)字輸入電路等。在變頻器中，控制電路是其核心部分。控制電路的優(yōu)勢決定了調(diào)整系統(tǒng)性能的優(yōu)勢。而控制電路的主要作用是將檢測得到的各種信號(hào)送至運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為主電路提供必要的門極（基極）驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并同時(shí)對(duì)異步電機(jī)提供必要的保護(hù)。此外，控制電路還通過A/D、D/A等外部接口來接收/發(fā)送多種形式的外部信號(hào)并給出系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)，以便調(diào)整系統(tǒng)能使之夠和外部設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)各種高性能的控制。變頻器的控制電路還包括電流、電壓、電機(jī)速度檢測電路、為變頻器提供保護(hù)的保護(hù)電路、對(duì)外接口電路和數(shù)字操作盒的控制電路等[5]。在采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，當(dāng)時(shí)，改變頻率就可改變同步轉(zhuǎn)速n。而對(duì)于異步電機(jī)的變頻器傳動(dòng)，為了避免電機(jī)的磁飽和，同時(shí)抑制起動(dòng)電流，產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，在改變其頻率時(shí)必須控制變頻器的輸出電壓[15]。另外，異步電機(jī)傳動(dòng)變頻器也稱被為VVVF變頻器，即調(diào)壓調(diào)頻變頻器的略稱。
變頻調(diào)速具有許多優(yōu)異的性能，它調(diào)速范圍較大，平滑性較高，且變頻時(shí)U按不同規(guī)律變化可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。其中低速特性的轉(zhuǎn)差率較高，是異步電機(jī)調(diào)速最有發(fā)展前途的一種方法，其缺點(diǎn)是必須有專用的變頻電源；而且在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電機(jī)的過載倍數(shù)大為降低，甚至不能帶動(dòng)負(fù)載。
2.3.2 變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制方式
變頻器對(duì)電機(jī)的控制，是根據(jù)電機(jī)的特性參數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)要求，進(jìn)而對(duì)電機(jī)提供電壓、電流、頻率達(dá)到控制負(fù)載的要求。因此，變頻器的主電路、逆變器、單片機(jī)的位數(shù)都相同，只是控制方式不一樣，控制效果也不一樣，所以控制方式很重要，它代表變頻器的水平。目前，變頻器對(duì)電機(jī)的控制方式大體可分為恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和智能控制。其中前五種已獲得成功應(yīng)用，有成型的產(chǎn)品，現(xiàn)就第一種控制方式展開討論。
恒定控制的定義。
該控制是在改變電機(jī)電源頻率的同時(shí)也改變電機(jī)電源的電壓，使電機(jī)的磁通保持一定，在較寬的調(diào)整范圍內(nèi)，電機(jī)的功率、功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷号c頻率的比，故稱為控制。此種控制方式比較簡單，多用于節(jié)能型變頻器，如風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)及生產(chǎn)流水線的工作臺(tái)傳動(dòng)等。另外，空調(diào)等家用電器也采用此控制方式的變頻器。
電壓型變頻器異步電機(jī)的比恒定控制的構(gòu)成。
實(shí)現(xiàn)電壓型變頻器異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM進(jìn)行電壓和頻率的控制系統(tǒng)控制部分需要提供頻率可變、幅值隨頻率變化的正弦設(shè)定信號(hào)。使用模擬電子技術(shù)產(chǎn)生正弦信號(hào)并不困難，但若需要信號(hào)的幅值正比于頻率的變化，或按某種規(guī)律變化，則采用數(shù)字電路較易實(shí)現(xiàn)。
在恒定控制的PWM變頻器中，PWM控制部分原理圖如圖4所示。圖中LA為加、減速控制環(huán)節(jié)，它將階躍的速度設(shè)定信號(hào)變?yōu)榫徛兓脑O(shè)定信號(hào)，以減小起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的電流沖擊。μ-COM為微型計(jì)算機(jī)處理單元，它包括存有正弦波形數(shù)據(jù)的只讀存儲(chǔ)器EPROM和產(chǎn)生EPROM地址的計(jì)數(shù)器。VFC為壓頻變換器，它將速度設(shè)定的電壓信號(hào)變?yōu)轭l率信號(hào)（脈沖），再將速度（電壓）設(shè)定的脈沖送入μ-COM中的計(jì)數(shù)器，以計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)作為EPROM的地址，而改變計(jì)數(shù)頻率，即可改變EPROM的地址掃描頻率的變化。EPROM的數(shù)據(jù)送至數(shù)/模塊換器（DAC）后，由于DAC有乘法功能，它的電壓參考端直接接至速度（電壓）設(shè)定端（VFC的輸入），使DAC輸出電壓波形的幅值正比于速度設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)恒定控制[1]。
恒定控制的PWM變頻器的電路通常為交-直-交電壓型變頻器，其輸入接至三相電源，輸出接三相異步電機(jī)。中小容量變頻器常采用可關(guān)斷電力電子器件如大功率晶體管（GTB）或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為開關(guān)器件，構(gòu)成三相橋式逆變電路；而大容量變頻器則采用可關(guān)斷晶閘管（GTO晶閘管）或晶閘管（SCR）作為開關(guān)器件。當(dāng)采用晶閘管（SCR）作為開關(guān)器件時(shí)，由于晶閘管不能控制關(guān)斷，需要采用輔助換相電路。在主電路中還必須包括整流環(huán)節(jié)，通常使用普通電力二極管構(gòu)成三相不可控整流橋，它將三相交流電整流成直流，再經(jīng)濾波電容器濾成平穩(wěn)的直流。濾波電容器和整流橋之間接有充電限流電阻，當(dāng)變頻器接通電源時(shí)，由于直流濾波電容器的電壓不能突變，如果沒有充電限流電阻，整流二極管和電容器將會(huì)流進(jìn)很大的充電電流，而充電限流電阻的作用就是要限制充電電流。一旦充電結(jié)束，電容器的電壓達(dá)到正常工作電壓時(shí)，充電限流電阻則被斷電器短接。濾波后的直流電作為逆變器的輸入，經(jīng)逆變橋逆變成三相交流電提供給三相異步電機(jī)。變頻。器的控制電路除了上述PWM生成部分之外，還包括電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路，它將PWM控制信號(hào)（通常為邏輯電平）經(jīng)隔離、放大，變成可控的電力電子器件導(dǎo)通、關(guān)斷的電壓或電流信號(hào)。不同類型的電力電子器件需要不同的驅(qū)動(dòng)電路，其基本要求是提供足夠的開通電壓或電流，以及可靠的關(guān)斷電壓或電流。對(duì)于保護(hù)部分，應(yīng)做到保證變頻器不發(fā)生永久性破壞。它分為硬件保護(hù)和軟件保護(hù)，它們均需要對(duì)保護(hù)對(duì)象進(jìn)行快速檢測，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的保護(hù)動(dòng)作設(shè)定值，分別進(jìn)行處理并給出相應(yīng)的故障信息[4～6]。
3 漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在本漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)中，由其軟件流程見圖5可知，其軟件的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、PLC控制設(shè)計(jì)、電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)、儀表通訊的設(shè)計(jì)（圖6）、條形碼讀取設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。
4 工作總結(jié)與展望
4.1 工作總結(jié)
本人在做課題期間，查閱大量與課題相關(guān)的書籍和資料，在對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)稱重系統(tǒng)進(jìn)行分析比較后，針對(duì)課題的具體應(yīng)用背景，提出了漆包線自動(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，具體總結(jié)如下：
（1）優(yōu)勢：它可以提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、銷、存一體化管理，該體系還可以融入企業(yè)資源規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源的優(yōu)化。
（2）自動(dòng)稱重包裝系統(tǒng)，在國內(nèi)屬空白，目前仍深受歡迎。它把PLC、工控機(jī)、數(shù)據(jù)庫、變頻技術(shù)等進(jìn)行有機(jī)組合，達(dá)到先進(jìn)的自動(dòng)稱重功能。比人工勞動(dòng)生產(chǎn)率提高10倍以上；精度±5 g，傳統(tǒng)稱法是±100 g，人為讀取因素誤差更大，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，造成兩種結(jié)果，誤差超過客戶要求，造成大量退貨，太大的誤差造成企業(yè)原材料的損失。按照年產(chǎn)值2億計(jì)算，造成的損失可達(dá)到上百萬。這套系統(tǒng)就徹底解決上述問題。
（3）變頻技術(shù)，PLC控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)、智能儀表、電機(jī)控制、弱電控制強(qiáng)電的基礎(chǔ)知識(shí)、通訊接口協(xié)議的基本工作原理等綜合運(yùn)用于現(xiàn)代控制領(lǐng)域。數(shù)據(jù)庫共享給銷售部門提和存精確數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)讓我們準(zhǔn)確掌握每個(gè)產(chǎn)品的來龍去脈，比如：生產(chǎn)時(shí)間，生產(chǎn)機(jī)臺(tái)號(hào)，當(dāng)班工人，銷售時(shí)間，客戶信息等。
（4）發(fā)展方向：實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)控制，“貼標(biāo)、上下料”完全自動(dòng)化仍在進(jìn)一步研究中。
4.2 工作展望
目前系統(tǒng)已處應(yīng)用階段，在今后的調(diào)試和現(xiàn)場運(yùn)行期間還會(huì)有許多未曾考慮的問題有待解決。初步測試表明，該系統(tǒng)可進(jìn)行基本的通信，數(shù)據(jù)處理功能。目前，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱重信號(hào)的智能采集，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)稱重，望今后能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重以及在稱重精度方面有待進(jìn)一步提高。在變頻控制方面做了有益的探索，使之在自動(dòng)稱重中發(fā)揮更重要的作用；進(jìn)一步使用智能儀表，使整個(gè)系統(tǒng)更完善；對(duì)輸送線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，盡量降低由于輸送線自身重量造成稱重的誤差。
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關(guān)鍵詞：放電開關(guān)IGCT，預(yù)燃電路，保護(hù)電路
一.常用固體激光電源的組成及特點(diǎn)
1.1 激光電源設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)
電源輸出能量必須使工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大于閾值，超過越多，輸出光能越大。電源的功率和設(shè)計(jì)方案應(yīng)隨估算出的泵浦能量而定，這主要取決于工作物質(zhì)的電光轉(zhuǎn)換效率。為使激光輸出穩(wěn)定，要求電源的輸出能量必須穩(wěn)定。總體而言有如下幾點(diǎn)：1.為使放電器件有高的動(dòng)力指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)，電源的輸出電壓或電流特性必須與負(fù)特性匹配。2.為使激光器輸出能量均可調(diào)，一些電源主要參數(shù)既能手動(dòng)控制，也能自動(dòng)控制。3.要求電源的泵浦電壓，電流穩(wěn)定。4.激光電源發(fā)展向小型化，重量輕，效率高的方向發(fā)展。5.使用要安全可靠，要有過壓，過流等現(xiàn)象的保護(hù)電路。
1.2 傳統(tǒng)固體激光電源的組成
傳統(tǒng)固體激光電源由專用供電電源（充電和放電電路）、預(yù)燃電路、觸發(fā)電路及定時(shí)（同步）電路組成。如下圖
1.3 激光電源的工作原理
單向AC220v.50/60Hz輸出整流，經(jīng)軟啟動(dòng)后在濾波電容上形成一個(gè)直流電源。氙燈點(diǎn)燃后，給出信號(hào)到控制板，若主電路沒有欠壓、過流，激光器冷卻液斷水等故障，控制板允許主電路工作，產(chǎn)生40kHz左右的震蕩信號(hào)到驅(qū)動(dòng)板，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，功率開關(guān)元件VMOS將直流電壓變換成40kHz的交變電壓，經(jīng)過高頻高壓器進(jìn)行開壓，高頻整流橋整流后，送到充電儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)儲(chǔ)能電容充到額定電壓時(shí)，控制板板給出停振信號(hào)，逆變電路停止工作。在系統(tǒng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，儲(chǔ)能電容給氙燈放電。在主電路工作過程中，調(diào)Q電源給出一個(gè)2000~5000v的晶體高壓。氙燈放電時(shí)，相對(duì)放電信號(hào)延時(shí)50~400us，退壓觸發(fā)信號(hào)也送到調(diào)Q電源板上。另外，電源還具有內(nèi)外時(shí)統(tǒng)轉(zhuǎn)換功能，電源可由外時(shí)統(tǒng)控制放電，并具有時(shí)統(tǒng)輸出端。
二.放電電路的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法
2.1放電開關(guān)的選擇
放電電路在激光器電源中起很重要的作用，在放電電路中，把儲(chǔ)存在儲(chǔ)能器中的電能直接轉(zhuǎn)換成光能，因此放電電路決定了激光器的效率。論文參考，放電開關(guān)IGCT。當(dāng)工作物質(zhì)螢光壽命一定時(shí)，要求的泵浦光脈沖就一定。目前占主導(dǎo)地位的功率半導(dǎo)體器件主要有晶閘管、GTO和IGBT等，隨著技術(shù)水平的不斷提高，這些傳統(tǒng)器件無論在功率容量還是在應(yīng)用復(fù)雜程度等方面都有了長足的進(jìn)步，但在實(shí)用方面還存在一些缺陷。傳統(tǒng)GTO關(guān)斷不均勻，需要笨重而昂貴的吸收電路。另外，因其門極驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，所需控制功率大，這就使得設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造成本高，電路損耗大。IGBT雖無需要吸收電路，但它的通態(tài)損耗大，而且可靠性不高。另外，單個(gè)IGBT的阻斷電壓較近，即使是新型的高壓應(yīng)用場合須串聯(lián)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和損耗。
IGCT是一種新型的電力電子器件，它將GTO芯片與及并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，即晶體管的穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗。IGCT具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。此外，IGCT還像GTO一樣，具有制造成本低和成品率高的特點(diǎn)，有極好的應(yīng)用前景。IGCT的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)時(shí)間短，因而在串聯(lián)應(yīng)用時(shí)，各個(gè)IGCT關(guān)斷時(shí)間的偏差極小，其分擔(dān)的電壓會(huì)較為均衡，所以適合大功率應(yīng)用，正好適合本實(shí)驗(yàn)。
2.2 預(yù)燃電路
放電電路的電光轉(zhuǎn)換效率對(duì)激光輸出的高低非常重要。為了提高電光轉(zhuǎn)換效率，減少電磁輻射的干擾，提高燈的幫助，在放電電路中采用了預(yù)燃型放電電路。如圖：
這種電路與一般放電電路不同之處在于，有一附加的直流高壓電源，這種高壓電源可采用任何一種整流方式，關(guān)鍵是能夠給出一定的電壓和電流。當(dāng)然，采用LC恒流變換器是理想的預(yù)燃電路，由于電路中有高壓直流電源，燈始終處于穩(wěn)定的輝光狀態(tài)，而流過燈的預(yù)燃電流將由預(yù)燃電路中的限流元件來限定。為了保證儲(chǔ)能器的能量以一定頻率向燈供給，在燈與儲(chǔ)能器之間接有放電開關(guān)。
三.保護(hù)電路極其設(shè)計(jì)方法
3.1 電源保護(hù)電路的考慮：欠壓、過壓保護(hù)
欠壓、過壓保護(hù)在激光電源中很重要。如果欠壓，為了輸出額定功率，則必須具有過大的輸入電流。如果過壓，則電源有過高的輸入電壓峰值，增大了對(duì)于逆變橋中IGBT功率開關(guān)的反向耐壓，易造成過壓擊穿。故為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定必須具有欠壓、過壓保護(hù)電路，電路如圖3所示。利用電阻R,R1,R2取樣，在LM339,2D1-4門通過調(diào)節(jié)電位器Rw，將電網(wǎng)輸入電壓限制在AC380土10%的允許變化內(nèi)。
圖3 過壓保護(hù)電路 圖4 過流保護(hù)電路
3.2過流保護(hù)
設(shè)置過流保護(hù)電路主要解決兩個(gè)問題：其儀：保護(hù)電源在各種強(qiáng)干擾環(huán)境工作時(shí)，充電電路中不因逆變失敗使功率開光（IGBT）超過額定電流值而損壞。其二，保證脈沖電源按脈沖方式進(jìn)行從放電，一旦出現(xiàn)氙燈連弧故障時(shí)主回路過流加以切斷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)，如圖4過流保護(hù)電路所示。論文參考，放電開關(guān)IGCT。論文參考，放電開關(guān)IGCT。圖中R為過流取樣電阻，調(diào)節(jié)電位器RW設(shè)置過流值，一般取電流的1.5-2.0倍，當(dāng)發(fā)生過流故障時(shí)，LM339反轉(zhuǎn)經(jīng)光電耦合送到主控信號(hào)板，使逆變信號(hào)發(fā)生芯片SG3525關(guān)斷。論文參考，放電開關(guān)IGCT。論文參考，放電開關(guān)IGCT。同時(shí)面板上故障顯示燈亮、報(bào)警。論文參考，放電開關(guān)IGCT。
3.3其他保護(hù)
為了保證激光器安全工作和操作人的人身安全，在激光電源的設(shè)計(jì)中，無源水壓控制，濕度控制和激光腔蓋控制，利用與門關(guān)系，不論那方面出現(xiàn)故障保護(hù)，電路接受到故障信號(hào)均及時(shí)的關(guān)斷逆變信號(hào)控制，進(jìn)行報(bào)警。
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【關(guān)鍵詞】諧波;有源電力濾波器;應(yīng)用
一、諧波研究背景
當(dāng)代世界電力工業(yè)中，幾乎都采用交流供電方式。在理想情況下，電源以單一且固定頻率（50HZ或60Hz）向電網(wǎng)提供正弦變化的電壓。電網(wǎng)可以視為一個(gè)線性系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個(gè)點(diǎn)的電壓，電流會(huì)和電源有相同頻率的正弦變化，這些電氣量只存在幅值和相位的不同。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷快速增加，實(shí)際系統(tǒng)已經(jīng)不能近似為理想系統(tǒng)，直接的表現(xiàn)形式就是電壓、電流出現(xiàn)了波形的周期性畸變。從頻域分析的角度就是說，這些電壓，電流的波形之中不僅包含了與電源相同頻率的基波正弦分量，還有一系列頻率是基波頻率整數(shù)倍的高頻正弦分量。這些高頻分量統(tǒng)稱為電力系統(tǒng)諧波，當(dāng)電力系統(tǒng)中諧波含量過高時(shí)，也可以說存在較重的諧波污染時(shí)，電網(wǎng)的安全性和可靠性將會(huì)受到威脅，而傳統(tǒng)的理論或方法（如正弦電路向量分析法等）也無法應(yīng)用。因此，電力諧波已經(jīng)成為世界各國政府，科學(xué)界廣泛關(guān)注的問題，諧波的研究是很有意義的。
二、諧波產(chǎn)生原因與危害
隨著我國改革開放的不斷深化，現(xiàn)代電力電子變換技術(shù)產(chǎn)品等非線性負(fù)載的普及應(yīng)用，一方面是科技發(fā)展的表現(xiàn)，另一方面卻對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了諸如諧波含量和無功功率增高的不利影響，這使得電網(wǎng)污染成為日益突出的嚴(yán)重問題，因此需要“實(shí)施綠色電力電子、打造綠色電網(wǎng)”，就必須首先解決電網(wǎng)污染的這個(gè)難題。根據(jù)相關(guān)的電路知識(shí)，負(fù)載的電流與加在兩端的電壓不呈線性關(guān)系，從而形成了非正弦的電流，這些非正弦的電流中就包含有諧波，所以可以得出結(jié)論：非線性負(fù)載是產(chǎn)生諧波的根本原因。關(guān)于電網(wǎng)中諧波的來源，可以概括為以下三個(gè)方面：
（一）由于發(fā)電源質(zhì)量問題從而產(chǎn)生諧波，這是因?yàn)樵谥谱靼l(fā)電機(jī)內(nèi)部的三相繞組時(shí)，幾乎不可能做到絕對(duì)對(duì)稱，同樣發(fā)電機(jī)內(nèi)部的鐵心也不會(huì)絕對(duì)的均勻一致。
（二）輸電網(wǎng)以及配電網(wǎng)中由于電力變壓器的存在，會(huì)不可避免的產(chǎn)生諧波。
（三）由用電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波，這些用電設(shè)備主要是指非線性負(fù)載。
電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)造成許多危害和負(fù)面影響，這些危害以及負(fù)面影響可以概括為以下幾個(gè)方面：
（一）電網(wǎng)中各個(gè)元件由于諧波產(chǎn)生了附加損耗，降低了輸電，用電效率。
（二）諧波會(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置，自動(dòng)控制裝置等形成干擾甚至造成誤動(dòng)。
（三）諧波可能會(huì)在電網(wǎng)局部引起串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，諧波電流將放大幾倍甚至幾十倍，嚴(yán)重威脅電氣設(shè)備安全并誘發(fā)事故。
（四）電氣測量儀表會(huì)因諧波產(chǎn)生計(jì)量誤差，給供電部門和用戶造成直接經(jīng)濟(jì)損失。
三、波抑制與無功補(bǔ)償裝置
想要解決電網(wǎng)諧波污染的問題，主要的解決方案可以從兩個(gè)方面入手：一是減少諧波的產(chǎn)生，另一個(gè)方法是安裝諧波補(bǔ)償裝置用來補(bǔ)償諧波，此方法對(duì)于各種諧波源都是適用的，哪里有消耗就在哪里產(chǎn)生補(bǔ)償，這個(gè)淺顯易懂的道理可以視作無功功率補(bǔ)償方法的基本原理，常用的無功補(bǔ)償裝置主要有以下四類：同步調(diào)相機(jī)、開關(guān)投切固定電容、靜止無功補(bǔ)償器、靜止無功發(fā)生器。一方面，一種設(shè)備或者裝置會(huì)產(chǎn)生出諧波，那么很有可能它也會(huì)消耗無功功率;另一方面，在抑制諧波的同時(shí)往往也可以起到補(bǔ)償無功的作用，因此將無功補(bǔ)償與諧波抑制的研究結(jié)合起來，在現(xiàn)階段看來是十分有必要的。諧波是原本正弦的信號(hào)發(fā)生了畸變，無功功率使得同相位的電壓與電流出現(xiàn)了相位差，這些現(xiàn)象在物理學(xué)中都可以視作為波形問題，可以用綜合補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖幚黼娏ο到y(tǒng)中的諧波和無功功率問題，有源電力濾波器就是一種同時(shí)集合了諧波抑制和無功補(bǔ)償功能的新型裝置。
四、有源電力濾波器的起源、發(fā)展
APF的基本思想最早可以追溯 1969 年Bird和Marsh發(fā)表的論文，文中完整地提出具有功率處理能力的有源電力濾波器的概念，這可看作是APF基本思想的萌芽。首次完整地描述APF工作的基本原理的學(xué)者是H.Sasaki和T. Machida。1976年美國西屋公司的L.Gyuig正式提出了APF的方案，他所說的APF是采用大功率晶體管PWM逆變器結(jié)構(gòu)，其基本原理就是通過逆變產(chǎn)生與諧波電流等值反向的電流，并注入電網(wǎng)，從而達(dá)到濾除諧波，凈化電網(wǎng)的目的。
上世紀(jì)八十年代末，并聯(lián)型APF、混合型APF、串聯(lián)混合型APF等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源電力濾波器相繼出現(xiàn)。上世紀(jì)九十年代中期至本世紀(jì)初，自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑模控制、重復(fù)控制、遺傳算法等現(xiàn)代智能控制方法得到了長足地發(fā)展。近幾年來，研究APF技術(shù)逐漸成為熱點(diǎn)，美日等國已經(jīng)有許多大容量APF相繼投入到工業(yè)應(yīng)用中，在諧波抑制以及無功補(bǔ)償方面都取得良好的效果。
五、APF的原理及分類
并聯(lián)型的APF主要由電流檢測電路以及電流補(bǔ)償電路兩大部分組成，將電路負(fù)載電流中的諧波分量以及無功電流分量檢測出來是電流檢測電路的任務(wù)，電流補(bǔ)償電路通過對(duì)逆變電路進(jìn)行控制，使其產(chǎn)生與諧波電流以及無功電流反向的補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電路中由非線性負(fù)載所引起負(fù)載電流中的諧波分量和無功電流分量的目的。按照接入電網(wǎng)的方式， 有源電力濾波器又可以分為并聯(lián)型有源電力濾波器、串聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。并聯(lián)型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)是最簡單、最基本的APF，主電路由逆變器構(gòu)成，它與電網(wǎng)電壓構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，通過向電網(wǎng)中注入與檢測所得諧波大小相等、相位相差1800 的電流信號(hào)，將電網(wǎng)中的諧波抵消，實(shí)現(xiàn)將非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波濾除，達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。并聯(lián)型APF思路清晰，容易實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用最多。串聯(lián)型有源電力濾波器用于補(bǔ)償電壓諧波。串聯(lián)型APF以串入電網(wǎng)的方式向電網(wǎng)中注入諧波電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)電壓變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波。但在實(shí)際應(yīng)用中，安裝、維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，費(fèi)用較高。
混合型有源電力濾波器，它是將串聯(lián)型、并聯(lián)型APF混合起來使用，混合型有源電力濾波器不僅包括串、并聯(lián)的混合，還包括有源電力濾波器與無源濾波器的混合，混合型APF 的諧波補(bǔ)償能力是最強(qiáng)的，但是從結(jié)構(gòu)上可以很容易知道，混合型APF需要大量的電力電子器件，安裝、使用和維護(hù)都非常復(fù)雜，使用很不方便，尤其是成本太高，性價(jià)比很低，因此使用并不廣泛。諧波污染問題向電網(wǎng)供電質(zhì)量提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，本文對(duì)電網(wǎng)中存在的諧波以及無功功率的起因、危害、治理措施進(jìn)行了較為詳細(xì)地闡述，最后找到了可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功功率補(bǔ)償?shù)墓δ艿霓k法，那就是應(yīng)用APF，因此，APF有著廣泛的應(yīng)用空間。
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作者簡介：
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化生產(chǎn)線；教學(xué)方法；電機(jī)與電氣控制；PLC；課程設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：G712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-5962（2013）02-0027-02
高職機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)置的培養(yǎng)目標(biāo)是：面向工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，電氣控制系統(tǒng)制造公司、機(jī)電設(shè)備制造公司、機(jī)電設(shè)備、電氣設(shè)備、工控設(shè)備制造公司或公司、科技開發(fā)公司，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需要，全面發(fā)展，適應(yīng)本專業(yè)相對(duì)應(yīng)職業(yè)崗位的高等技術(shù)應(yīng)用性專門人才，主要崗位群定位是自動(dòng)化設(shè)備安裝員、自動(dòng)化設(shè)備調(diào)試員、中高級(jí)維修電工等，本專業(yè)有五個(gè)主干學(xué)科：電氣工程、電子工程、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與工程，都是為了崗位需要設(shè)置的專業(yè)知識(shí)。其中《自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試》作為一門核心專業(yè)課在第四學(xué)期進(jìn)行了貫穿和綜合。
1自動(dòng)化生產(chǎn)線的課程設(shè)置
機(jī)電一體化專業(yè)人才培養(yǎng)能力有：識(shí)圖繪圖能力、機(jī)電安裝調(diào)試維修能力、電控系統(tǒng)調(diào)試檢修能力、自動(dòng)線調(diào)試維護(hù)能力、機(jī)電設(shè)備管理能力及機(jī)電產(chǎn)品營銷能力等。《自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試》前序課程有PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)、電機(jī)與控制，后序課程有機(jī)床維修等。在我們所要實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)中知識(shí)目標(biāo)涉及到：機(jī)械手工作原理、握機(jī)械手控制原理、機(jī)械手氣動(dòng)原理、熟悉安全操作規(guī)程；能力目標(biāo)有：對(duì)已安裝的機(jī)械手機(jī)械部件進(jìn)行測量；對(duì)機(jī)械手的氣路進(jìn)行基本調(diào)試；根據(jù)故障現(xiàn)象判斷故障部位；檢查分析、找到故障點(diǎn)并分析解決故障；遵守安全操作規(guī)程；素質(zhì)目標(biāo)有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)態(tài)度、規(guī)范的操作習(xí)慣、創(chuàng)新精神、團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、自主學(xué)習(xí)精神及溝通能力。
此核心課程以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)開展課程教學(xué)，提升學(xué)生的職業(yè)能力，以具體自動(dòng)化生產(chǎn)線為載體，融合認(rèn)知、安裝、調(diào)試和檢測等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做、評(píng)一體化教學(xué)，突出課程的職業(yè)性、實(shí)踐性和開放性。以學(xué)生為主體，采取多樣化教學(xué)方法。以自動(dòng)化設(shè)備改造為工作過程，涉及電路圖分析、電氣圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、設(shè)備組裝、設(shè)備運(yùn)行調(diào)試、設(shè)備檢測、設(shè)備維護(hù)等行動(dòng)領(lǐng)域，設(shè)置六個(gè)學(xué)習(xí)情境：零配件拆裝、傳感器檢測、氣路檢測、異步電機(jī)檢測、步進(jìn)電機(jī)檢測、整體檢測調(diào)試，分成20個(gè)任務(wù)。
項(xiàng)目一：供料站的安裝，有機(jī)械拆裝、氣路拆裝、電器拆裝三個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目二：加工站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有加工站組裝、光電傳感器檢測、限位傳感器檢測三個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目三：裝配站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有裝配站組裝、電磁閥檢測、氣缸檢測三個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目四 ：分揀站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有分揀站組裝、傳送帶的檢測、異步電機(jī)的檢測、變頻器的檢測四個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目五：輸送站的安裝，設(shè)計(jì)任務(wù)有輸送站組裝、光纖傳感器檢測、機(jī)械手檢測、步進(jìn)電機(jī)的檢測、溜板檢測四個(gè)任務(wù)；項(xiàng)目六：整體運(yùn)行調(diào)試，有PLC控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、程序編寫、綜合調(diào)試三個(gè)任務(wù)。
2自動(dòng)化生產(chǎn)線的教學(xué)方法與評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)
2.1教學(xué)方法。
（1）講授法：講解項(xiàng)目任務(wù)，傳授項(xiàng)目任務(wù)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，針對(duì)學(xué)生實(shí)施過程中出現(xiàn)的不足進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的說明。
（2）現(xiàn)場教學(xué)法：在符合生產(chǎn)要求的工作環(huán)境中進(jìn)行操作技能和維修應(yīng)用能力實(shí)踐，提高職業(yè)氛圍，在工作過程中提升學(xué)生的職業(yè)道德、職業(yè)素養(yǎng)和崗位適應(yīng)能力。
（3）任務(wù)驅(qū)動(dòng)法：將教學(xué)過程融入項(xiàng)目任務(wù)中，讓學(xué)生自主討論分析實(shí)施，學(xué)生在工作過程中得到知識(shí)。
（4）小組討論法：學(xué)生每六～八人為一個(gè)小組，小組討論分析，討論解決，分工協(xié)作完成項(xiàng)目任務(wù)。
六步教學(xué)實(shí)施：明確任務(wù)、討論分析、制定方案、檢測故障、檢驗(yàn)效果、總結(jié)分析。老師交代目標(biāo)，注意觀察和記錄小組對(duì)現(xiàn)象分析情況，解答學(xué)生提出的問題，對(duì)跟主題分析偏離太遠(yuǎn)的小組予以引導(dǎo)，讓學(xué)生自行摸索，在后期對(duì)學(xué)生可能會(huì)引起事故或損壞設(shè)備和工具的異常操作給予糾正，最后老師組織小組進(jìn)行故障排除工作匯報(bào)，互評(píng)，并對(duì)每組進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，再引導(dǎo)學(xué)生自行總結(jié)。
2.2評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)。
課程采用過程考核與期終考核相結(jié)合、企業(yè)考核與校內(nèi)項(xiàng)目考核相結(jié)合、教師考核與學(xué)生考核相結(jié)合的多元化考核方式，利于理論聯(lián)系實(shí)際，有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)創(chuàng)新和思考，更督促他們到實(shí)際中去發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)，去尋找合適自己的項(xiàng)目和課題。
課程考核為：校內(nèi)項(xiàng)目，企業(yè)，綜合實(shí)訓(xùn)三大類。當(dāng)堂課的考核有：教師考核、小組互評(píng)、小組自評(píng)；教師考核內(nèi)容為五項(xiàng)：任務(wù)分析情況，實(shí)施方案制定，任務(wù)完成質(zhì)量、分工協(xié)作精神、故障檢測手段、安全操作規(guī)范、小組總結(jié)。
和很多專業(yè)課一樣，多種教學(xué)方法和全面的評(píng)價(jià)方案，有效保證了教學(xué)效果。
3相關(guān)課教學(xué)
3.1電機(jī)與電氣控制的教學(xué)。
本課程以發(fā)電機(jī)為主題，以工作任務(wù)為導(dǎo)向，以工廠實(shí)用型電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試與維護(hù)情景教學(xué)為主線貫穿全課程，用實(shí)物進(jìn)行直觀性教學(xué)，使學(xué)生感性認(rèn)識(shí)強(qiáng)，理性認(rèn)識(shí)夠。
典型的教學(xué)任務(wù)有三相異步電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)、三相異步電動(dòng)機(jī)長動(dòng)控制、三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、三相異步電動(dòng)機(jī)延時(shí)啟動(dòng)控制（或三相異步電動(dòng)機(jī)Y-降壓啟動(dòng)）、機(jī)械手控制等。
課程特色是學(xué)生充分利用所學(xué)知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)資源、閑瑕時(shí)間作為期三個(gè)月的“繼電控制課程設(shè)計(jì)”。任務(wù)書要求能夠根據(jù)功能要求選擇個(gè)元器件的類型及其型號(hào)；了解個(gè)元器件的工作原理和使用方法；把各元器件連接起來實(shí)現(xiàn)本課程設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)都存在重載啟動(dòng)的可能，任何一級(jí)傳送帶停止工作時(shí)，其他傳送帶都必須停止工作，控制線路有必要的保護(hù)環(huán)節(jié)，有故障報(bào)警裝置。課程設(shè)計(jì)書要有課題介紹、題目、摘要、總體方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)目的、控制要求、設(shè)計(jì)要求、 硬件選型、主電路原理圖的設(shè)計(jì)、 控制電路原理圖的設(shè)計(jì)、重載保護(hù)電路設(shè)計(jì)、欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)、總結(jié)。
3.2PLC教學(xué)。
PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，早期是一種開關(guān)邏輯控制裝置，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，其控制核心采用微處理器，功能有了極大擴(kuò)展，除了最廣泛的取代傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制的開關(guān)量邏輯控制外，還有過程控制，數(shù)據(jù)處理，通信聯(lián)網(wǎng)與顯示打印，PLC接口采用光電隔離，實(shí)現(xiàn)了PLC的內(nèi)部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。
PLC有5種編程語言：
（1）順序功能圖（SFC）。
順序功能圖常用來編制順序控制類程序，包含步、動(dòng)作、轉(zhuǎn)換三個(gè)要素。順序功能編程法是將一個(gè)復(fù)雜的控制過程分解為小的工作狀態(tài)，這些狀態(tài)按順序連接組合成整體的控制程序。
（2）梯形圖（LD）。
梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，是在常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡化了符號(hào)演變而來的，形象、直觀、實(shí)用，電氣技術(shù)人員容易接受，要求用帶CRT屏幕顯示的圖形編程器才能輸入圖形符號(hào)，是目前用得最多的一種PLC編程語言。
（3）功能塊圖（FBD）。
功能圖編程語言是用邏輯功能符號(hào)組成的功能塊來表達(dá)命令的圖形語言，與數(shù)字電路中的邏輯圖一樣，極易表現(xiàn)條件與結(jié)果之間的邏輯功能。
（4）指令表（IL）。
采用經(jīng)濟(jì)便攜的編程器將程序輸入到可編程控制器就用指令表，使用的指令語句類似微機(jī)中的匯編語言。指令表程序較難閱讀，其中的邏輯關(guān)系很難一眼看出，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一般使用梯形圖語言。如果使用手持式編程器，必須將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表后再寫入PLC，在用戶程序存儲(chǔ)器中，指令按步序號(hào)順序排列。
（5）結(jié)構(gòu)文本（ST）是文字語言。
編程語言的學(xué)習(xí)是PLC教學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，中間加以不同的應(yīng)用實(shí)例：順序控制電路、常閉觸點(diǎn)輸入信號(hào)的處理，使用多個(gè)定時(shí)器接力定時(shí)的時(shí)序控制電路、三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路、鉆床刀架運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，LED數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)，還經(jīng)常根據(jù)繼電器電路圖設(shè)計(jì)梯形圖。
增加的學(xué)習(xí)情境還常有如下任務(wù)：洗手間的沖水清洗控制、進(jìn)庫物品的統(tǒng)計(jì)、競賽搶答器裝置設(shè)計(jì)、彩燈或噴泉PLC控制；尋找數(shù)組最大值并求和運(yùn)算、電熱水爐溫度控制等。
3.3單片機(jī)。
單片微型計(jì)算機(jī)就是將CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。用于示波器、報(bào)警系統(tǒng)、移動(dòng)電話、彩電等日常方面，在智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域、醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域、工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域也都有廣泛應(yīng)用。
數(shù)據(jù)大都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，微型單片化集成了如看門狗、AD/DA等更多的其它資源。教學(xué)內(nèi)容以80C51為核心講授單片機(jī)的的引腳、存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)、典型語句，以實(shí)例應(yīng)用為線索：單燈受控閃爍、P1口外接8只LED發(fā)光二極管模擬彩燈、單片機(jī)做加、減、乘、除運(yùn)算等項(xiàng)目。各子任務(wù)都作硬件電路及工作原理分析、主程序流程圖設(shè)計(jì)、源程序的編輯、編譯、下載、單片機(jī)的I/O接口分配及連接。
教學(xué)采用ISP-4單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，可以完成大量的單片機(jī)學(xué)習(xí)、開發(fā)實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)習(xí)單片機(jī)有極大的幫助。該板采用在線可編程的AT89S51單片機(jī)，有程序下載功能，可將編輯、編譯、調(diào)試好的單片機(jī)代碼下載到AT89S51單片機(jī)中。
3.4變頻器技術(shù)及應(yīng)用。
變頻技術(shù)讓學(xué)生熟練掌握各種電力電子器件的工作原理、主要參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)技術(shù)；掌握交-直-交變頻器、交-交變頻器、諧振型變頻的工作原理和應(yīng)用范圍；掌握脈寬調(diào)制控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)技術(shù)；了解變頻器與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組成變頻調(diào)速系統(tǒng)、變頻器與雙饋電機(jī)組成調(diào)速系統(tǒng)、變頻器與同步電動(dòng)機(jī)組成變頻調(diào)速系統(tǒng)，掌握電力電子電機(jī)系統(tǒng)的組成、工作原理、控制方法、運(yùn)行特性等，是強(qiáng)電應(yīng)用和現(xiàn)代技術(shù)推廣的有力體現(xiàn)。
3.5傳感器與自動(dòng)檢測技術(shù)。
傳感器技術(shù)代替人的感觀，在各種環(huán)境下應(yīng)用，檢測技術(shù)是一套有效的反應(yīng)體系，包括信息的獲得、測量方法、信號(hào)的變換、處理和顯示、誤差的分析以及干擾的抑制、可靠性問題等。因此掌握常用傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、性能，并能正確選用，了解傳感器的基本概念和自動(dòng)檢測系統(tǒng)的組成，對(duì)常用檢測系統(tǒng)有相應(yīng)的分析與維護(hù)能力。對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中主要工藝參數(shù)的測量能提出合理的檢測方案，能正確選用傳感器及測量轉(zhuǎn)換電路組成實(shí)用檢測系統(tǒng)的初步能力。
教學(xué)過程進(jìn)行小論文制作，讓學(xué)生提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，使學(xué)生從文字處理水平提高到辦公處理水平。對(duì)分節(jié)、目錄、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)作嚴(yán)格要求。題目如數(shù)字顯示電子稱、基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速表、單片機(jī)電子秤研究、光纖測溫儀、煙霧報(bào)警器、小車尋跡設(shè)計(jì)、電熨斗自動(dòng)恒溫系統(tǒng)、電渦流探傷、電感測厚儀等。
4畢業(yè)論文指導(dǎo)分析
畢業(yè)論文專業(yè)聯(lián)系實(shí)際，通常小型自動(dòng)化系統(tǒng)以單片機(jī)為主，大型自動(dòng)化生產(chǎn)線以PLC為主，系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)力離不開電機(jī)，觀察離不開傳感器，調(diào)速可用變頻器，綜合所學(xué)，學(xué)生的論文涉及廣泛，有效教學(xué)可對(duì)應(yīng)從如下方面?zhèn)戎刂笇?dǎo)。
4.1立意選題。
根據(jù)實(shí)際和研究方向做好側(cè)重和體現(xiàn)，如“觸摸屏控制的堿液配置系統(tǒng)”和“兩種液體混合裝置的PLC控制系統(tǒng)”的系統(tǒng)性和方向性，“車庫自動(dòng)門的PLC自動(dòng)控制”和“測速雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)”的檢測指標(biāo)要求等。
4.2材料整合。
在任務(wù)要求明確的基礎(chǔ)上，首先確定相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)應(yīng)查找并列出論文結(jié)構(gòu)，一份畢業(yè)論文至少含有三到五門課的內(nèi)容，對(duì)應(yīng)于研究方向進(jìn)行相應(yīng)編排和取舍。
4.3技術(shù)處理。
所搜集圖片的背景往往有水印，要去掉，圖片按要求進(jìn)行不同方向的剪切。圖表里的文字應(yīng)是五號(hào)或小五，注意表格標(biāo)題要單獨(dú)標(biāo)出等等格式要求。流程圖、梯形圖的設(shè)計(jì)與表現(xiàn)。
多種教學(xué)方法和理論聯(lián)系實(shí)際教出具有學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的學(xué)生，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用創(chuàng)造練就出具有競爭力的學(xué)生，專業(yè)課的有效教學(xué)和畢業(yè)論文的順利設(shè)計(jì)將顯示本專業(yè)沉甸甸的含金量。
參考文獻(xiàn)
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