時間：2022-06-01 02:57:34
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，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，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：發展趨勢技術創新器件開發應用推廣
1概述
自本世紀五十年代未第一只晶閘管問世以來，電力電子技術開始登上現代電氣傳動技術舞臺，以此為基礎開發的可控硅整流裝置，是電氣傳動領域的一次革命，使電能的變換和控制從旋轉變流機組和靜止離子變流器進入由電力電子器件構成的變流器時代，這標志著電力電子的誕生。進入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品，普通晶閘管不能自關斷的半控型器件，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展，是電力電子技術的又一次飛躍，先后研制出GTR.GTO，功率MOSFET等自關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、響應快、低損耗方向發展。而進入90年代電力電子器件正朝著復臺化、標準模塊化、智能化、功率集成的方向發展，以此為基礎形成一條以電力電子技術理論研究，器件開發研制，應用滲透性，在國際上電力電子技術是競爭最激烈的高新技術領域。論文百事通
2電力電子器發展回顧
整流管是電力電子器件中結構最簡單，應用最廣泛的一種器件。目前已形成普通型，快恢復型和肖特基型三大系列產品，電力整流管對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公司研制出第一個工業用普通晶閘管開始，其結構的改進和工藝的改革為新器件開發研制奠定了基礎，在以后的十年間開發研制出雙向，逆變、逆導、非對稱晶閘管，至今晶閘管系列產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的可關斷的GTO至今，目前以達到9kV/0.25kA/0.8kHz的可關斷的GTO至今，目前以達到9kV/2.5kA/0.8kHZ及6kV/6kA/1kHZ的水平，在當前各種自關斷器件中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動中有明顯的優勢，因此它在中壓、大客量領域中占有一席之地。70年代研制出GTR系列產品，其額定值已達1.8kV/0.8kA/2kHZ，0.6kV/0.003kA/100kHZ，它具有組成的電路靈活成熟，開關損耗小、開關時間短等特點，在中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛，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、驅動功率小，開關損耗低及工作頻率高等特點，其有著廣闊的發展前景。而IGCT是最近發展起來的新型器件，它是在GTO基礎上發展起來的器件，稱為集成門極換流晶閘管，也有人稱之為發射極關斷晶閘管，它的瞬時開關頻率可達20kHZ，關斷時間為1μs，dildt4kA/ms，du/dt10-20kV/ms，交流阻斷電壓6kV，直流阻斷電壓3.9kV，開關時間<2ks，導通壓降3600A時，2.8V，開關頻率>1000Hz。
3電力電子器件發展趨勢
進入90年代電力電子器件的研究和開發，已進入高頻化，標準模塊化，集成化和智能時代。從理論分析和實驗證明電氣產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，當我們將50Hz的標準二頻大幅的提高之后，使用這樣工頻的電氣設備的體積與重量就能大大縮小，使電氣設備制造節約材料，運行時節電就更加明顯，設備的系統性能亦大為改善，尤其是對航天工業其意義十分深遠的。故電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術創新的主導方向，而硬件結構的標準模塊是器件發展的必然趨勢，目前先進的模塊，已經包括開關元件和與其反向并聯的續流二極管在內及驅動保護電路多個單元，并都以標準化和生產出系列產品，并且可以在一致性與可靠性上達到極高的水平。目前世界上許多大公司已開發出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品推出。日本新電元公司的IPM智能化功率模塊的主要特點是：新晨
3.1它內部集成了功率芯片，檢測電路及驅動電路，使主電路的結構為最簡。
3.2其功率芯片采用的是開關速度高，驅動電流小的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。
論文摘要 在人類所利用的能源當中，電能是最清潔最方便的；電氣傳動無疑有著很大的意義，隨著電力電子技術、計算機技術以及自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術也得到了長足的發展。本文在對大量國內外文獻分析的基礎上，總結和論述了我國在電力電子和電力傳動系統領域的研究現狀。
從學術的角度來看，電力電子技術的主要任務是研究電力電子器件（功率半導體）設備，轉換器拓撲結構，控制和電力電子應用，實現電力和磁場的能量轉換、控制、傳輸和存儲，以便實現合理和有效使用的各種形式的能源，高品質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的研究主要包括新的或電力能源的節約和新能源電力電子，軍事和空間應用等作為特殊的電力電子轉換器技術的智能電力電子變換器技術，控制電力電子系統和計算機仿真建模；3）電力電子技術的應用，其研究內容包括超高功率轉換器，在能源效率，可再生能源發電，鋼鐵，冶金，電力，電力牽引，船舶推進應用，電力電子系統的信息化和網絡；電力電子系統的故障分析和可靠性；復雜的電力電子系統的穩定性和適應性；4）電力電子系統集成，其研究內容包括標準化電力電子模塊；單芯片和多芯片系統設計，集成電力電子系統的穩定性和可靠性。
2 我國電力電子發展中存在的問題
當前的主要問題是：中國的電力電子產品和設備目前生產的大部分是也主要是晶閘管，雖然它可以創造一些高科技電子產品和電氣設備，但他們都使用電力電子外國生產設備和多組分組裝集成的制造方法，尤其是先進的全控型電力電子器件全部依賴進口，而許多關系到國民經濟和國家安全，在一些關鍵領域的核心技術，軟件，硬件和關鍵設備，我國的外資控制和封鎖。特別是在關系國民經濟和國家安全，更多先進水平的核心技術差距的關鍵領域，這種情況正在迅速變化的挑戰和我們的道德律令。
在過去，雖然我國國民經濟的各個部門，先后引進了國外先進技術，已開始注意到國內突出的問題，從表面上看，雖然對引進技術的絕大多數可以在幾年后達到國產化率70％的要求，但只要仔細分析，不難發現，并最終拒絕外國公司轉讓技術和關鍵部件，都涉及到高科技的電力電子技術和動力傳動產品在核心技術。
目前國外和問題的主要區別是：電力電子器件的全面控制，不能制造國內制造的高功率轉換器，低技術，設備可靠性差，電力電子數字控制技術水平仍處于初級階段；應用程序的控制技術和系統控制軟件的水平較低；缺乏經驗的重大項目等。高性能高功率轉換器設備幾乎全部從國外進口。
3 電力傳動系統的發展現狀分析
目前我國電力傳動系統的研究主要圍繞交流轉動系統展開，隨著交流電動機調速理論的突破和調速裝置（主要是變頻器）性能的完善，電動機的調速從直流發電機-電動機組調速、晶閘管可控整流器，直流調壓調速逐步發展到交流電動機變頻調速。交流傳動系統之所以發展得如此迅速，和一些關鍵性技術的突破性進展有關。它們是功率半導體器件（包括半控型和全控型）的制造技術、基于電力電子電路的電力變換技術、交流電動機控制技術以及微型計算機和大規模集成電路為基礎的全數字化控制技術。為了進一步提高交流傳動系統的性能，國內有關研究工作正圍繞以下幾個方面展開：
1）輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑
高性能交流驅動系統電壓型PWM逆變器中的應用日益廣泛，PWM技術的研究更深入。 PWM功率半導體器件采用高頻開啟和關閉，成為一個在一定寬度的電壓脈沖序列法律的變化，為了實現頻率，變壓器，有效地控制和消除諧波的直流電壓。 PWM技術可分為三類：正弦PWM，優化PWM及隨機PWM。正弦PWM的電壓，電流和磁通正弦PWM計劃的目標包括。正弦PWM普遍提高功率器件的開關頻率將是一個非常出色的表現，在中小功率交流驅動系統等被廣泛使用。但為大容量的電源轉換設備，高開關頻率將導致大的開關損失，以及高功率設備，如GTO的開關頻率仍不做的非常高的在這種情況下，在最佳的PWM技術只是滿足的需求該設備。
2）應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現代控制理論
交流電機交流驅動系統是一個多變量、非線性、強耦合、時變控制對象，變頻調速控制，電機控制的穩定狀態方程的研究動態控制非常令人滿意的結果的特點。 70年代初提出研究交流電機的控制過程的動態，不僅要控制每個變量的振幅，而控制的階段，為了實現交流電機磁通和轉矩的解耦矢量變換方法，促使高性能交流驅動系統逐漸向實際使用。高動態性能的電流矢量控制變頻器已成功應用于軋機主傳動，電力牽引系統和數控機床。此外，為了解決系統的復雜性和控制精度之間的矛盾，但也提出一個新的控制方法，如直接轉矩控制，方向控制電壓，特別是與微處理器控制技術，現代控制理論在各種控制方法也得到了應用，如二次型性能指標最優控制和雙位模擬調節器控制，可以提高系統的動態性能，滑（滑模）變結構控制可以提高系統的魯棒性，狀態觀測器和卡爾曼濾波器可以得到狀態信息不能測量，自適應控制能夠全面提高系統的性能。此外，智能控制技術，如模糊控制，神經網絡控制，也開始在交流變頻調速驅動系統用于提高控制精度和魯棒性。
3）廣泛應用微電子技術
隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。目前適于交流傳動系統的微處理器有單片機、數字信號處理器（Digital Signal Processor——DSP）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的計算機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器結構等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產生以及系統的監控、保護功能都可以通過微處理器實現，為交流傳動系統的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成的全數字化控制系統達到了較高的性能價格比。
4 結論
雖然我國電力電子與電力系統傳動系統技術得到了長足的發展，但與發達國家相比仍然存在較大差距，許多關鍵技術有待突破，關鍵部件還長期依賴進口的局面還沒有打破。
參考文獻
論文摘要：電力電子技術正在不斷發展，新材料、新結構器件的陸續誕生，計算機技術的進步為現代控制技術的實際應用提供了有力的支持，在各行各業中的應用越來越廣泛。電力電子技術在電力系統中的應用研究與實際工程也取得了可喜成績。
1前言
電力電子技術是一個以功率半導體器件、電路技術、計算機技術、現代控制技術為支撐的技術平臺。經過50年的發展歷程，它在傳統產業設備發行、電能質量控制、新能源開發和民用產品等方面得到了越來越廣泛的應用。最成功地應用于電力系統的大功率電力電子技術是直流輸電（HVDC）。自20世紀80年代，柔流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術在電力系統中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現。本文介紹了電力電子技術在發電環節中、輸電環節中、在配電環節中的應用和節能環節的運用。
2電力電子技術的應用
自20世紀80年代，柔流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術在電力系統中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現。已有不少文獻介紹和總結了相關設備的基本原理和應用現狀。以下按照電力系統的發電、輸電和配電以及節電環節，列舉電力電子技術的應用研究和現狀。
2.1在發電環節中的應用
電力系統的發電環節涉及發電機組的多種設備，電力電子技術的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。
2.1.1大型發電機的靜止勵磁控制
靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式，具有結構簡單、可靠性高及造價低等優點，被世界各大電力系統廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環節，因而具有其特有的快速性調節，給先進的控制規律提供了充分發揮作用并產生良好控制效果的有利條件。
2.1.2水力、風力發電機的變速恒頻勵磁
水力發電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當水頭的變化幅度較大時（尤其是抽水蓄能機組），機組的最佳轉速變隨之發生變化。風力發電的有效功率與風速的三次方成正比，風車捕捉最大風能的轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過調整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。
2.1.3發電廠風機水泵的變頻調速
發電廠的廠用電率平均為8%，風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%，且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實施風機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟，國內外有眾多的生產廠家，并不完整的系列產品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產能力的企業不多，國內有不少院校和企業正抓緊聯合開發。
2.2在輸電環節中的應用
電力電子器件應用于高壓輸電系統被稱為“硅片引起的第”，大幅度改善了電力網的穩定運行特性。
2.2.1直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDCLight）技術
直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯網，高壓直流輸電擁有獨特的優勢。1970年世界上第一項晶閘管換流器，標志著電力電子技術正式應用于直流輸電。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
FACTS技術的概念問世于20世紀80年代后期，是一項基于電力電子技術與現代控制技術對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調節的輸電技術，可實現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統的穩定水平。
20世紀90年代以來，國外在研究開發的基礎上開始將FACTS技術用于實際電力系統工程。其輸出無功的大小，設備結構簡單，控制方便，成本較低，所以較早得到應用。2.3在配電環節中的應用
配電系統迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態的波動和干擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用，即用戶電力（CustomPower）技術或稱DFACTS技術，是在FACTS各項成熟技術的基礎上發展起來的電能質量控制新技術。可以將DFACTS設備理解為FACTS設備的縮小版，其原理、結構均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場介入相對容易，開發投入和生產成本相對較低，隨著電力電子器件價格的不斷降低，可以預期DFACTS設備產品將進入快速發展期。
2.4在節能環節的運用
2.4.1變負荷電動機調速運行
電動機本身挖掘節電潛力只是節電的一個方面，通過變負荷電動機的調速技術節電又是另一個方面，只有將二者結合起來，電動機節電方較完善。目前，交流調速在冶金、礦山等部門及社會生活中得到了廣泛的應用。首先是風機、泵類等變負荷機械中采用調速控制代替擋風板或節流閥控制風流量和水流量具有顯著的效果。國外變負荷的風機、水泵大多采用了交流調速，我國正在推廣應用中。
變頻調速的優點是調速范圍廣，精度高，效率高，能實現連續無級調速。在調速過程中轉差損耗小，定子、轉子的銅耗也不大，節電率一般可達30%左右。其缺點主要為：成本高，產生高次諧波污染電網。
2.4.2減少無功損耗，提高功率因數
在電氣設備中，變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載，這些設備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質量不可缺少的部分。在電力系統中應保持無功平衡，否則，將會使系統電壓降低，設備破壞，功率因數下降，嚴懲時會引起電壓崩潰，系統解裂，造成大面積停電事故。所以，當電力網或電氣設備無功容量不足時，應增裝無功補償設備，提高設備功率因數。
1.分析電路盡量使用多媒體。
電力電子技術的核心就是整流、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，通常一個電路都有多個工作狀態，不同的工作狀態又分別對應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態的過程，而傳統的書本上的文字和原理圖是無法很好地展現動態過程的。這時，如果采用幻燈片等多媒體形式，可以將電路工作的動態過程很好地展現給學生們觀看，把書本上靜態的電路以及波形圖動起來，這樣就能夠讓學生們更好地理解電力電子電路的工作過程。與此同時，結合書本上的理論，再將不同電路的特點進行總結，使同學們復習時結合著書中的理論，頭腦中聯想著多媒體演示動畫，便會在學習中事半功倍，容易記憶，提高學生的分析計算和實際解題的能力。
2.器件與控制部分應注重練習。
電力電子器件及控制部分具有覆蓋面大、定性與定量相結合的特點，學好這一部分，就必須將概念的理解與相關的計算進行練習，在習題式的教學中，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學生做與課程相關的習題，多數學生也只有在考試的時候才有機會在試卷中解答一些問題，雖說現在不提倡傳統針對考試的題海戰術，但是平時適當做一些典型的練習還是有必要的，電力電子器件種類多、特點各不相同，而控制方法也有很多，甚至與自動控制原理等其他學科相關聯，在教學中適當找一些典型例題進行講解，可以讓同學們在繁雜的知識中抓住重點內容進行突破，最終掌握這部分知識要點。
3.學生自主參與新技術教學。
電力電子技術具有發展速度快的特點，新的技術和應用領域不斷出現，加強電力電子新技術的教學可以擴展學生知識面，掌握電力電子技術發展新方向。這一部分的特點是沒有定量計算、難度不大、但對于資料的收集工作量比較大，根據這些特點，在教學中，可以將這部分安排給每個學生進行講解，在講解前每個同學查找相關資料，然后對資料進行分類總結，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。在這種學生自主教學的過程中，既提高了學生查找資料的能力，也能提高學生的概括的創新能力，還為研究生畢業學術論文的撰寫提供了相關的經驗。
二、實驗教學應進行分類
電力電子技術是一個應用性很強的一門學科，在理論教學的同時一定要有相應的實驗來配合和補充，開設實驗課是對理論課的延伸和補充，更能夠突出應用型學科的特色。在實驗教學上，應分為驗證實驗、探究實驗、拓展實習三個部分進行教學。
1.驗證實驗應緊密結合課本。
驗證性實驗的特點是對已經有的理論進行實驗驗證，與學生的理論教學緊密銜接，通過書上的理論來指導實驗的操作，同時實驗的結果又可以加深學生對于書本理論的深度理解。在理論課程之后，應當有相應的實驗課程相跟進，在實驗開始前，老師帶領學生對課本知識點進行回顧，確定實驗目的和實驗步驟，同學們按照實驗要求完成相應的實驗操作，并能夠運用書本上的知識來解釋實驗中的現象，最后通過實驗報告的形式進行總結，得出驗證性的結論。
2.鼓勵開展探究性試驗。
電力電子技術是一門正在快速發展的學科，在實驗教學中，應當鼓勵學生進行自主探究，通過對已有知識的學習讓學生們充分發揮想象力，制作一些相關的小制作、小發明，在探究性試驗的過程中培養學生的創新能力。學生根據自己掌握的知識，結合當今電力電子發展的前沿技術，加上自己的想象力和創造力，獨立設計出屬于自己的電子作品，而在探究的過程中難免會遇到一些問題，這時老師應進行適當指導，給出一些方案，讓學生自主解決實際問題。平時盡可能地開放實驗室，使學生增加動手操作機會。此外還應當鼓勵學生參加“挑戰杯”等科技比賽，增加在創新方面的交流合作，從而學會更多解決問題的新方法。
3.拓展實習應突出實際應用。
在傳統的教學環節之外，對于電力電子技術這種應用型很強的學科，應適當組織學生到某個單位進行參觀學習。學習的目的是為了應用，當今電力電子技術已經應用在了許多領域之中，在實驗教學中可以聯系某個具體單位進行參觀，在實際的生產過程中，讓學生們更加具體地了解電力電子技術的應用。除了參觀之外，也可由老師或者學生找一些與電力電子技術應用相關的視頻資料，分享給大家進行觀看，也可以起到非常好的效果。實習結束之后，學生以報告的形式寫出自己學到了什么或者是心得體會。這樣，理論聯系實際，對于理工科的教學是有很大幫助的。
三、總結
科研團隊：瞄準前沿，勇于超越
“大功率電力電子技術”課題組依托于武漢大學電氣工程學院，主要從事配電系統內適用于節能和電能質量控制的大功率電力電子裝置的開發和應用研究。該課題組在查曉明教授的帶領下，幾年如一日地在大功率電力電子技術領域辛勤耕耘，至今已發展成為一個擁有1名副教授、3名講師、1名在站博士后、10名博士研究生、10名碩士研究生的優秀科研團隊。
課題組成立以來始終堅守“基礎理論研究與工程應用實踐并重”的原則，行走在電力科技領域的前沿，充分發揮自身的優勢，依靠武漢大學豐富的科研與教學資源，與國內多家企業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用系統等領域取得了良好的成績。在大功率電力電子系統的控制理論上，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的大功率電力電子系統控制理論和方法。該方法把電力電子技術中的功率變換控制特點與系統應用要求進行有效結合，實現了大功率電力電子系統的并網有功和無功電流控制、電能質量控制以及并聯或串聯逆變器拓撲結構中的直流側電壓的穩壓和均衡控制，并成功地在有源電力濾波器、STATCOM等裝置中得到應用。而從該系統的控制技術角度出發，他們又建立了以DSP與FPGA相結合的數字控制硬件平臺，開展了各種電力電子系統的數字控制算法的應用研究，并在該硬件平臺上充分利用了FPGA近似布線邏輯的并行計算和高可靠性的特點，克服了單獨DSP系統程序控制易受干擾中斷問題，進而將兩者結合并對有關控制算法進行分解，實現了串行和并行計算的結合，形成了一種具有高可靠性的控制算法實現方法。目前，基于該硬件平臺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現。
其次，就大功率電力電子器件IGBT的驅動技術而言，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電源為IGBT驅動電源，不僅實現了可靠和完善的過流保護、可靠的IGBT通斷檢測功能，而且還可以輔助抗瞬態電壓沖擊電路，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計和試驗技術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計理論和方法也正在發展之中，逆變器專用高頻大電流電抗器設計與制作、電力電子系統實時仿真等方面都有其獨到之處。
通過對大功率電力電子電路的拓撲結構研究，課題組完成了基于功率單元級聯的多電平拓撲結構及其在STATCOM和高壓變頻器中的應用，并在混合式有源電力濾波器、多臺逆變器并聯的有源電力濾波器、四象限運行的PWM變流器、程控交流調壓電源逆變器以及具有綜合節能特點的工業企業新型配電電源系統中形成了獨具特色的理論研究。“基于α－β坐標變換的有源電力濾波器和STATCOM技術”、“低能耗的逆變器試驗平臺”、“通用電力電子試驗平臺及試驗方法”等已獲專利授權，“先進的電能質量試驗電源技術”也正在專利申請之中。
在實踐的過程中，他們不僅積累了豐富的工程經驗，而且形成了一套獨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的控制理論和技術研究、大功率電力電子器件IGBT的驅動技術、大功率電力電子電路的拓撲結構研究以及大功率電力電子裝置的設計和試驗技術上做了一系列的工作，較好地解決了復雜大功率電力電子系統及其應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濟效益和社會聲譽。目前，高壓變頻器已經成功產業化，直接產生了數億元的經濟效益，有源電力濾波器，STATCOM等產品逐步在工業電力系統中得到推廣應用。”
學術靈魂：拓新求真，攜手并進
作為“大功率電力電子技術”課題組的“靈魂人物”，查曉明教授有著豐富的求學經歷：他分別于1989年，1992年，2001年取得武漢大學應用電子技術專業工學學士、電力電子技術專業碩士，電力系統及其自動化專業博士學位：2001年10月至2003年6月，他遠赴加拿大的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學科的教學與科研工作，主要研究方向為電力電子系統的分析與綜合理論，大功率電力電子裝置及其在電能質量控制，高壓電機驅動、柔性輸電、新能源及微電網技術中的應用，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”――武漢大學電氣工程學院教授，博士生導師，電力電子技術研究所所長，IEEE會員，武漢電源學會副理事長，從教學到科研、從行政到學術，無不顯示出他的忙碌與充實。在科研上，他碩果累累，先后在國內外重要會議和期刊上40多篇，其中三大檢索收錄20篇：他主持和參加了國防“973”項目專題、武漢市科技攻關項目、國家電力公司青年科技促進費項目，武漢市青年晨光計劃項目、國家自然科學基金以及多項企業產品開發項目，在電能質量控制、新能源并網控制以及電氣節能等方面取得多項高新技術產品與成果，并獲發明專利4項、實用新型專利3項。
查曉明教授無疑是成功的，然而他并不滿足于個人的榮譽和成就，而是更注重整個課題組的前進與發展。他總是這樣告誡課題組內的每一個年輕教師，博士和碩士研究生，科學研究需要的是鍥而不舍的精神，工程應用需要的是嚴謹求實的精神，理論研究和實踐應用總是相伴而生、相輔相成的。無論是物理學中的力學、電磁學還是數學分析方法，無論是電機、電力系統還是系統分析與控制理論，對每一個求學的研究生來說，都是必須具備的知識。只有這樣，才能在工程應用中把握住每一個細小的環節，從中提煉出真正的科學問題，從而開展真正的科學研究工作。也基于此，查曉明教授的書桌上總是堆滿了經典力學，電動力學、微分幾何等書籍，并且常常向很多前輩請教學術問題，甚至經常性地和研究生們一起探討電力電子裝置能量轉換的物理過程。
關鍵詞：電力電子技術；開關電源
現代電源技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，是現代電力電子技術的具 體應用。
當前，電力電子作為節能、節才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發展。在不遠的將來，電力電子技術將使電源技術更加成熟、經 濟、實用，實現高效率和高品質用電相結合。
1. 電力電子技術的發展
現代電力電子技術的發展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、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體復合器件，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1 整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，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(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-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體廠家就是那時的產物。
1.2 逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內。
1.3 變頻器時代
進入八十年代，大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展，為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現，又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現代電子技術不斷向高頻化發展，為用電設備的高效節材節能，實現小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2. 現代電力電子的應用領域
2.1 計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會，同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源，根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定，桌上型個人電腦或相關的外圍設備，在睡眠狀態下的耗電量若小于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 通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中，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變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內，實現高效率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設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，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對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變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能，并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)， 同時還能起到有效地抑制電網側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，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展，要求電源模塊實現小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，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)是計算機、通信系統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，另一部分能量經逆變器變成交流，經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件，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的引入，可以實現對UPS的智能化管理，進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速，已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5 變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速，其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要，已獲得巨大的節能效果。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，用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調，96年引進生產線生產變頻空調器，逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略，精選功能組件，是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6 高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-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，經高頻變壓器耦合， 整流濾波后成為穩定的直流，供電弧使用。
由于焊機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電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題，也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器，通過對多參數、多信息的提取與分析，達到預知系統各種工作狀態的目的，進而提前對系統做出調整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續率60%，全載電壓60~75V，電流調節范圍5~300A，重量29kg。
2.7 大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流達到0.5A以上，功率可達100kW。
自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻，然后升壓。進入80年代，高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經整流變為直流，采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。
2.8 電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象，即所謂"電力公害"，例如，不可控整流加電容濾波時，網側三次諧波含量可達(70~80)%，網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統LC濾波器的不足，是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流; (2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9 分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件，利用最新理論和技術成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產效率。
八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發展，各種變換器拓撲結構相繼出現，結合大規模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點，論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納，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、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3. 高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、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。
3.1 高頻化
理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的 5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統"整流行業"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這一原理進行改造， 成為"開關變換類電源"，其主要材料可以節約90%或更高，還可節電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高頻設備固態化，帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益，更可體現技術含量的價值。
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，包括開關器件和與之反并聯的續流二極管，實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了"智能化"功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，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重，對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性，有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統的引線連接，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計，達到優化完美的境地。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，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統連線，把寄生參數降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統的可靠性。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， 而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統可靠性，即使萬一出現單模塊故障，也不會影響系統的正常工作，而且為修復提供充分的時間。
轉貼于 3.3 數字化
在傳統功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術 擬電路基礎上的。但是，現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC) 問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數字化技術就離不開了。
3.4 綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電， 這意味著發電容量的節約，而發電是造成環境污染的重要原因，所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節電設備，往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數的方法。
總而言之，電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展，新技術的出現又會使許多應用產品更新換代，還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現，將標志著這些技術的成熟，實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年，隨著通信行業的發展，以開關電源技術為核心的通信用開關電源，僅國內有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動，并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術，電力電子技術選編，浙江大學，384-390，1992。
[2]季幼章:迎接知識經濟時代，發展電源技術應用， 電源技術應用，N0.2，l998。
關鍵詞：軟啟動，選型，探討
“軟啟動”設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、調速型液力偶合器、變頻軟啟動、高壓軟啟動、變極調速等。本文將從“軟啟動”設備的類型、性能特點以及國內“軟啟動”設備調研情況出發，闡述適應煤礦井下條件的“軟啟動”類型，目的是選擇合適的技術，既講求實效，又節電增益，確保設備的安全運轉。
1.“軟啟動”是煤礦大型、重型設備啟動的必然要求
近年來，為適應復雜礦區的煤層開采條件，設備選型朝大型化、重型化方向發展，逐步實現“設備現代化，系統自動化，管理信息化”。因此，隨著裝機功率、裝備水平的提高，起動問題將成為設備選型的關鍵問題，“軟啟動”也必將成為設備選型的唯一選擇。
所謂的“軟啟動”實際上就是對設備的啟動過程進行控制，按其預定的、合理的啟動加速度啟動。例如，輸送膠帶機啟動，由公式：
FQ=FZ+∑M·a
FQ————啟動時輸送機的圓周力
FZ————正常運行時輸送機的圓周力
∑M———輸送機總的等效質量（包括其上的貨物）
a—————啟動加速度
由上式可見，啟動加速度大，啟動時的圓周力越大。啟動所需的功率越大，傳動系統本身所受到的啟動沖擊越大，對關鍵零部件破壞力就越大。使用“軟啟動”技術，啟動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，設備的故障率大大降低，同時供電系統的啟動條件、保護條件都容易得到滿足。設備的裝機功率越大，設備對“軟啟動”要求就會越強烈。因此，“軟啟動”是煤礦大型、重型設備啟動的必然選擇。
2.“軟啟動”設備類型分析
國內外采用的兩種“軟啟動”類型：一種是調節偶合器轉速，即機械“軟啟動”；另一種是調節電機轉速，即電氣“軟啟動”。因電氣“軟啟動”控制的是電機，因此系統得以簡化。
2.1機械“軟啟動”裝置
2.1.1恒充式液力偶合器
恒充式液力偶合器代表產品為福伊特恒充式液力偶合器。其主要部件為兩個葉輪——泵輪和渦輪，以及外輪殼。兩個葉輪相向安裝，動力傳動部件間沒有機械接觸，動力傳動實現最小的機械磨損。偶合器內有恒定容積的工作液體，通常為礦物油。驅動電機輸出的轉矩在與之相連的泵輪中轉變成工作液體的流動能量，然后在渦輪中將這種流動能量重新轉變成機械能。力矩的建立取決于偶合器的特性曲線，同時啟動特性受到適當組合的補償腔(延充腔，側輔腔)的影響。
2.1.2閥控充液式液力偶合器
其代表產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，結構上它減少“延充腔，側輔腔”，增加了充液閥和進液閥，用充進閥來控制偶合器內部的水量和水交換，從而能平穩而迅速地建立力矩。
2.1.3調速型液力偶合器
調速型液力偶合器和以上兩種的原理基本相同，只是偶合器腔體內液體量的調節方式不一樣，調速型液力偶合器選用油作傳遞動力的液體，采用導流管（勺桿）機構位置變化來調節腔體內液體量的多少，從而達到調速的目的。
2.1.4液粘型“軟啟動”裝置
液粘型軟啟動裝置是根據液體粘性傳動原理設計的傳動裝置。
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，油從其中強制通過。論文格式。兩組摩擦片中的一組稱主動摩擦片（主動摩擦片可以軸向移動），與輸入軸接連，另一組稱從動磨擦片，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速功能。
2.1.5 CST“軟啟動”裝置
CST主要由一級普通斜齒輪傳動加一級行星齒輪減速機構、液體粘性制動器、傳感器以及液壓驅動裝置等機械和電子部件組成。
這種“軟啟動”裝置與減速箱合二為一，它利用了行星差動輪系特點，將內齒圈作為第二個輸入主動件，用液粘制動器（同液粘軟啟動裝置中的液粘偶合器）來控制內齒圈的轉速，從而控制輸出軸的轉速。
2.2電氣“軟啟動”裝置
2.2.1變極“軟啟動”裝置
這種軟啟動就是使用多極（多速）電機，采用多回路組合開關，優點是運行可靠，運行效率高，控制線路很簡單，容易維護，對電網干擾小，初始投資低。但它不能實現平滑調速，只能分級調速，從而限制了它的使用范圍。
2.2.2調壓“軟啟動”裝置
從電機原理知道，異步電機的轉矩在一定轉差率下，與定子電壓平方成正比，改變定子電壓就可以改變電動機的機械特性，從而實現調速。論文格式。目前廣泛使用可控硅交流開關實現連續調壓。盡管這種軟啟動采用了先進的數字控制技術，使系統控制精度提高，抗擾能力增強，但轉子損失大將限制這種調速方法的使用。
2.2.3變頻“軟啟動”裝置
變頻調速是通過改變電動機定子供電頻率來改變旋轉磁場同步轉速進行調速的，在綜采綜掘系統中，應用最廣的交－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，先將工頻電源經整流成直流，再由電力電子器件逆變為電壓和頻率可調的交流電源，整個變頻裝置稱為變頻器。
3.幾種“軟啟動”裝置的性能比較
3.1機械與電氣“軟啟動”裝置的性能比較
機械“軟啟動”CST最具有代表性，電氣“軟啟動”調壓和變頻最具有代表性，因此，將最具代表性的“軟啟動”放在一起，見下表。
關鍵詞：FPGA SA4828波形發生器 三相交流異步電動機 變頻調速 SPWM
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：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]。
本設計所設計的題目屬于間接變頻調速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分等。逆變環節為三相SPWM逆變方式。
1 系統簡介
1.1 交流異步電動機
三相異步電動機主要由定子和轉子兩大部分構成，定子是靜止不動的部分，轉子是旋轉部分，在定子與轉子之間有一定的氣隙，以保證轉子的自由轉動。異步電動機結構如圖1所示。
1.2 SPWM技術
SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）技術，即在PWM的基礎之上，改變調制脈沖的方式。脈沖寬度和時間占空比按正弦規率變化，這樣輸出波形經過適當的濾波就可以做到輸出正弦波。
產生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波（稱為載波）與一個正弦波（稱為調制波）進行比較，如圖2所示，兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時刻。當調制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調制波的幅值小于載波的幅值時，開關器件關斷。
2 系統的硬件實現
基于FPGA的交流異步電動機的變頻調速系統，以FPGA為核心控制芯片，利用SA4828芯片產生SPWM波，再通過驅動電路驅動逆變開關。再加上電路，保護電路等，構成整個完整系統。
本設計為交流異步電動機的變頻調速，主要涉及主電路和控制電路兩大部分（如圖3）。
系統各組成部分簡介。
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為脈動的直流電，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。它可以使電網的功率因數接近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。在設計中采用三相橋式逆變，開關器件選用全控型開關管IGBT。
以上四個部分組成主電路，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，作為過壓，欠壓，過流保護信號。
控制電路：采用FPGA和SPWM波生成芯片SA4828，FPGA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定信息和指令，根據這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經過光電隔離后去驅動開關管的關斷。從而得到與信號電路對稱的SPWM波。
此處選用電動機原始參數如下：
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：0.85；
過載系數：=2.2；
極對數：p=2。
3 系統軟件實現的實驗結果
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。當電壓上升到額定頻率后，不在上升。
對于恒負載時，由前面章節分析可知，電動機的轉速會與其電源頻率成正比。轉速與頻率的關系曲線如圖4所示。
4 結論
本文采用FPGA控制三相PWM波專用芯片SA4828。具有電源頻率可調，刪除窄脈沖，響應速度快，可現場編程等特點。最終驗證了系統的可行性和有效性。系統中還有過流保護和過壓保護等。還可以通過FPGA監視系統的其他故障，SA4828芯片還提供在緊急情況下急停的功能。在這種內部控制保護與電路保護相結合的方式，保證了電機的安全運行。
但系統也存在許多不足之處，如控制方案的實現不夠精確，FPGA芯片選擇上不夠經濟，檢測保護電路不夠完善，這些問題有待進一步研究解決。
參考文獻
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關鍵詞：變頻器 自動稱重 準確度 數據采集
中圖分類號：TP216.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0074-03
1 漆包線自動稱重系統的總體設計
1.1 系統的總體結構
LY-ZDB型漆包線自動稱重系統由操作站、電子稱、包裝機、打印機、液壓工作站、PLC控制等部分組成，如所圖1示[12]。
2 漆包線自動稱重系統的硬件設計與實現
2.1 漆包線自動稱重系統硬件的總體設計
漆包線自動稱重系統硬件大致分為生產系統計算機、稱和儀表、打印機、工控機、PLC、掃描槍、傳感和執行機構幾部分，詳見圖2。其中，漆包線自動稱重系統的硬件設計所涉及的基本知識有變頻器及異步電機、模數轉換知識、IGBT模塊柵極驅動的基本知識、PLC知識、485通訊電路、秤的基本知識和工業控制計算機基本知識[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模塊，即對PLC執行機構下達控制命令模塊；對稱體儀表的通訊（RS485）模塊；讀取儀表數值，對稱重數據進行數據存儲、打印模塊；對條形碼的讀取、識別模塊。而對于處理所得的大量數據，本軟件系統中采用MS SQL SERVER 2000的大型關系型數據庫來存儲[7，16]。
2.2 變頻器
2.2.1 變頻器對外部控制的實現
變頻器外部接口的主要作用是用戶能夠根據系統的不同需要進行各種功能組態與操作，并與其他電路一起構成自動控制系統[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、過程參數監測信號電路、通信接口電路和數字信號輸入輸出電路等。變頻器內部結構及外部接線基本，其中包括主動源、電動機、制動單元等。而變頻器對外部的控制也是通過這些外部接口來實現的，其對外部的控制主要包括自動起停控制和速度調節。自動起停控制，即要實現自動稱重就要實現物料傳輸的自動運行和速度自動調節。自動運行指的是電機自動啟動并運行和自動停止，FR端子輸出信號（高電平1、低電平0）來觸動外部中間繼電器從而控制主回路運行。速度調節，它是通過變頻器的+V、VRF、COM三個端口來自動調節電機對物料的傳輸速度，即通過A/D轉換控制運算電路，從而控制逆變電路，實現輸出頻率的變換。
整流器是將交流變為直流，平滑波電路則將直流電平滑，逆變器將直流電逆變為頻率可調的交流電。其中，為了電動機的調速傳動，所需的操作量有電壓、電流、頻率[8～11]。
2.2.2 變頻器的設備及選件
變頻器的設備主要是用來構成更好的調速系統或節能系統，選用設備通常也是為了提高系統的安全性和可靠性，提高變頻器的某種性能，增加對變頻器和電機的保護，減少變頻器對其他設備的影響。
其中，變頻器的設備主要有：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、制動電阻等。在本系統中，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開關量模塊。
在實際的自動稱重系統中，變頻器和設備要能實現電機緩慢增長和緩慢停止，避免啟動電流對電機的沖擊，以避免貨物的不穩定和不安全[4]。
2.3 變頻器與異步電機
2.3.1 變頻調速
變頻調速系統控制電路主要包括控制運算電路、信號檢測電路、門極（基極）驅動隔離電路、外部接口電路、保護電路和數字輸入電路等。在變頻器中，控制電路是其核心部分。控制電路的優勢決定了調整系統性能的優勢。而控制電路的主要作用是將檢測得到的各種信號送至運算電路，使運算電路能夠根據要求為主電路提供必要的門極（基極）驅動信號，并同時對異步電機提供必要的保護。此外，控制電路還通過A/D、D/A等外部接口來接收/發送多種形式的外部信號并給出系統內部工作狀態，以便調整系統能使之夠和外部設備配合實現各種高性能的控制。變頻器的控制電路還包括電流、電壓、電機速度檢測電路、為變頻器提供保護的保護電路、對外接口電路和數字操作盒的控制電路等[5]。在采用變頻器進行調速控制時，當時，改變頻率就可改變同步轉速n。而對于異步電機的變頻器傳動，為了避免電機的磁飽和，同時抑制起動電流，產生一定的轉矩實現安全運轉，在改變其頻率時必須控制變頻器的輸出電壓[15]。另外，異步電機傳動變頻器也稱被為VVVF變頻器，即調壓調頻變頻器的略稱。
變頻調速具有許多優異的性能，它調速范圍較大，平滑性較高，且變頻時U按不同規律變化可實現恒轉矩或恒功率調速，以適應不同負載的要求。其中低速特性的轉差率較高，是異步電機調速最有發展前途的一種方法，其缺點是必須有專用的變頻電源；而且在恒轉矩調速時，低速段電機的過載倍數大為降低，甚至不能帶動負載。
2.3.2 變頻器對異步電動機的控制方式
變頻器對電機的控制，是根據電機的特性參數及運轉要求，進而對電機提供電壓、電流、頻率達到控制負載的要求。因此，變頻器的主電路、逆變器、單片機的位數都相同，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，變頻器對電機的控制方式大體可分為恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制、速度控制、非線性控制、自適應控制、滑模變結構控制和智能控制。其中前五種已獲得成功應用，有成型的產品，現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電源頻率的同時也改變電機電源的電壓，使電機的磁通保持一定，在較寬的調整范圍內，電機的功率、功率因數不下降。因為是控制電壓與頻率的比，故稱為控制。此種控制方式比較簡單，多用于節能型變頻器，如風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動等。另外，空調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的比恒定控制的構成。
實現電壓型變頻器異步電動機系統的恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM進行電壓和頻率的控制系統控制部分需要提供頻率可變、幅值隨頻率變化的正弦設定信號。使用模擬電子技術產生正弦信號并不困難，但若需要信號的幅值正比于頻率的變化，或按某種規律變化，則采用數字電路較易實現。
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、減速控制環節，它將階躍的速度設定信號變為緩慢變化的設定信號，以減小起動和制動時的電流沖擊。μ-COM為微型計算機處理單元，它包括存有正弦波形數據的只讀存儲器EPROM和產生EPROM地址的計數器。VFC為壓頻變換器，它將速度設定的電壓信號變為頻率信號（脈沖），再將速度（電壓）設定的脈沖送入μ-COM中的計數器，以計數器的數據作為EPROM的地址，而改變計數頻率，即可改變EPROM的地址掃描頻率的變化。EPROM的數據送至數/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）設定端（VFC的輸入），使DAC輸出電壓波形的幅值正比于速度設定值，從而實現恒定控制[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。中小容量變頻器常采用可關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）作為開關器件，構成三相橋式逆變電路；而大容量變頻器則采用可關斷晶閘管（GTO晶閘管）或晶閘管（SCR）作為開關器件。當采用晶閘管（SCR）作為開關器件時，由于晶閘管不能控制關斷，需要采用輔助換相電路。在主電路中還必須包括整流環節，通常使用普通電力二極管構成三相不可控整流橋，它將三相交流電整流成直流，再經濾波電容器濾成平穩的直流。濾波電容器和整流橋之間接有充電限流電阻，當變頻器接通電源時，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流進很大的充電電流，而充電限流電阻的作用就是要限制充電電流。一旦充電結束，電容器的電壓達到正常工作電壓時，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，經逆變橋逆變成三相交流電提供給三相異步電機。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動電路，它將PWM控制信號（通常為邏輯電平）經隔離、放大，變成可控的電力電子器件導通、關斷的電壓或電流信號。不同類型的電力電子器件需要不同的驅動電路，其基本要求是提供足夠的開通電壓或電流，以及可靠的關斷電壓或電流。對于保護部分，應做到保證變頻器不發生永久性破壞。它分為硬件保護和軟件保護，它們均需要對保護對象進行快速檢測，并根據預先設置的保護動作設定值，分別進行處理并給出相應的故障信息[4～6]。
3 漆包線自動稱重系統軟件設計
在本漆包線自動稱重系統中，由其軟件流程見圖5可知，其軟件的設計包括數據庫的設計、PLC控制設計、電機控制電路的設計、儀表通訊的設計（圖6）、條形碼讀取設計和人機界面設計。
4 工作總結與展望
4.1 工作總結
本人在做課題期間，查閱大量與課題相關的書籍和資料，在對現有自動稱重系統進行分析比較后，針對課題的具體應用背景，提出了漆包線自動稱重系統的設計方案，具體總結如下：
（1）優勢：它可以提高生產效率，實現產、銷、存一體化管理，該體系還可以融入企業資源規劃，實現企業資源的優化。
（2）自動稱重包裝系統，在國內屬空白，目前仍深受歡迎。它把PLC、工控機、數據庫、變頻技術等進行有機組合，達到先進的自動稱重功能。比人工勞動生產率提高10倍以上；精度±5 g，傳統稱法是±100 g，人為讀取因素誤差更大，甚至出現數據錯誤，造成兩種結果，誤差超過客戶要求，造成大量退貨，太大的誤差造成企業原材料的損失。按照年產值2億計算，造成的損失可達到上百萬。這套系統就徹底解決上述問題。
（3）變頻技術，PLC控制技術、數據庫、自動控制計算機、智能儀表、電機控制、弱電控制強電的基礎知識、通訊接口協議的基本工作原理等綜合運用于現代控制領域。數據庫共享給銷售部門提和存精確數據，數據庫系統讓我們準確掌握每個產品的來龍去脈，比如：生產時間，生產機臺號，當班工人，銷售時間，客戶信息等。
（4）發展方向：實現完全自動控制，“貼標、上下料”完全自動化仍在進一步研究中。
4.2 工作展望
目前系統已處應用階段，在今后的調試和現場運行期間還會有許多未曾考慮的問題有待解決。初步測試表明，該系統可進行基本的通信，數據處理功能。目前，本系統實現了對稱重信號的智能采集，實現了靜態稱重，望今后能實現動態稱重以及在稱重精度方面有待進一步提高。在變頻控制方面做了有益的探索，使之在自動稱重中發揮更重要的作用；進一步使用智能儀表，使整個系統更完善；對輸送線結構的優化，盡量降低由于輸送線自身重量造成稱重的誤差。
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關鍵詞：放電開關IGCT，預燃電路，保護電路
一.常用固體激光電源的組成及特點
1.1 激光電源設計要求和技術指標
電源輸出能量必須使工作物質的反轉粒子數大于閾值，超過越多，輸出光能越大。電源的功率和設計方案應隨估算出的泵浦能量而定，這主要取決于工作物質的電光轉換效率。為使激光輸出穩定，要求電源的輸出能量必須穩定。總體而言有如下幾點：1.為使放電器件有高的動力指標和運行指標，電源的輸出電壓或電流特性必須與負特性匹配。2.為使激光器輸出能量均可調，一些電源主要參數既能手動控制，也能自動控制。3.要求電源的泵浦電壓，電流穩定。4.激光電源發展向小型化，重量輕，效率高的方向發展。5.使用要安全可靠，要有過壓，過流等現象的保護電路。
1.2 傳統固體激光電源的組成
傳統固體激光電源由專用供電電源（充電和放電電路）、預燃電路、觸發電路及定時（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，經軟啟動后在濾波電容上形成一個直流電源。氙燈點燃后，給出信號到控制板，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，產生40kHz左右的震蕩信號到驅動板，在驅動信號的驅動下，功率開關元件VMOS將直流電壓變換成40kHz的交變電壓，經過高頻高壓器進行開壓，高頻整流橋整流后，送到充電儲能網絡，當儲能電容充到額定電壓時，控制板板給出停振信號，逆變電路停止工作。在系統信號驅動下，儲能電容給氙燈放電。在主電路工作過程中，調Q電源給出一個2000~5000v的晶體高壓。氙燈放電時，相對放電信號延時50~400us，退壓觸發信號也送到調Q電源板上。另外，電源還具有內外時統轉換功能，電源可由外時統控制放電，并具有時統輸出端。
二.放電電路的特點及設計方法
2.1放電開關的選擇
放電電路在激光器電源中起很重要的作用，在放電電路中，把儲存在儲能器中的電能直接轉換成光能，因此放電電路決定了激光器的效率。論文參考，放電開關IGCT。當工作物質螢光壽命一定時，要求的泵浦光脈沖就一定。目前占主導地位的功率半導體器件主要有晶閘管、GTO和IGBT等，隨著技術水平的不斷提高，這些傳統器件無論在功率容量還是在應用復雜程度等方面都有了長足的進步，但在實用方面還存在一些缺陷。傳統GTO關斷不均勻，需要笨重而昂貴的吸收電路。另外，因其門極驅動電路復雜，所需控制功率大，這就使得設計復雜，制造成本高，電路損耗大。IGBT雖無需要吸收電路，但它的通態損耗大，而且可靠性不高。另外，單個IGBT的阻斷電壓較近，即使是新型的高壓應用場合須串聯，增加了系統的復雜性和損耗。
IGCT是一種新型的電力電子器件，它將GTO芯片與及并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管和晶閘管兩種器件的優點，即晶體管的穩定的關斷能力和晶閘管的低通態損耗。IGCT具有電流大、電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、損耗低的特點。此外，IGCT還像GTO一樣，具有制造成本低和成品率高的特點，有極好的應用前景。IGCT的一個突出的優點是存儲時間短，因而在串聯應用時，各個IGCT關斷時間的偏差極小，其分擔的電壓會較為均衡，所以適合大功率應用，正好適合本實驗。
2.2 預燃電路
放電電路的電光轉換效率對激光輸出的高低非常重要。為了提高電光轉換效率，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，關鍵是能夠給出一定的電壓和電流。當然，采用LC恒流變換器是理想的預燃電路，由于電路中有高壓直流電源，燈始終處于穩定的輝光狀態，而流過燈的預燃電流將由預燃電路中的限流元件來限定。為了保證儲能器的能量以一定頻率向燈供給，在燈與儲能器之間接有放電開關。
三.保護電路極其設計方法
3.1 電源保護電路的考慮：欠壓、過壓保護
欠壓、過壓保護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，增大了對于逆變橋中IGBT功率開關的反向耐壓，易造成過壓擊穿。故為保證系統工作穩定必須具有欠壓、過壓保護電路，電路如圖3所示。利用電阻R,R1,R2取樣，在LM339,2D1-4門通過調節電位器Rw，將電網輸入電壓限制在AC380土10%的允許變化內。
圖3 過壓保護電路 圖4 過流保護電路
3.2過流保護
設置過流保護電路主要解決兩個問題：其儀：保護電源在各種強干擾環境工作時，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行從放電，一旦出現氙燈連弧故障時主回路過流加以切斷，實現保護，如圖4過流保護電路所示。論文參考，放電開關IGCT。論文參考，放電開關IGCT。圖中R為過流取樣電阻，調節電位器RW設置過流值，一般取電流的1.5-2.0倍，當發生過流故障時，LM339反轉經光電耦合送到主控信號板，使逆變信號發生芯片SG3525關斷。論文參考，放電開關IGCT。論文參考，放電開關IGCT。同時面板上故障顯示燈亮、報警。論文參考，放電開關IGCT。
3.3其他保護
為了保證激光器安全工作和操作人的人身安全，在激光電源的設計中，無源水壓控制，濕度控制和激光腔蓋控制，利用與門關系，不論那方面出現故障保護，電路接受到故障信號均及時的關斷逆變信號控制，進行報警。
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【關鍵詞】諧波;有源電力濾波器;應用
一、諧波研究背景
當代世界電力工業中，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）向電網提供正弦變化的電壓。電網可以視為一個線性系統，系統中各個點的電壓，電流會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的發展，電力系統中非線性負荷快速增加，實際系統已經不能近似為理想系統，直接的表現形式就是電壓、電流出現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倍的高頻正弦分量。這些高頻分量統稱為電力系統諧波，當電力系統中諧波含量過高時，也可以說存在較重的諧波污染時，電網的安全性和可靠性將會受到威脅，而傳統的理論或方法（如正弦電路向量分析法等）也無法應用。因此，電力諧波已經成為世界各國政府，科學界廣泛關注的問題，諧波的研究是很有意義的。
二、諧波產生原因與危害
隨著我國改革開放的不斷深化，現代電力電子變換技術產品等非線性負載的普及應用，一方面是科技發展的表現，另一方面卻對電網產生了諸如諧波含量和無功功率增高的不利影響，這使得電網污染成為日益突出的嚴重問題，因此需要“實施綠色電力電子、打造綠色電網”，就必須首先解決電網污染的這個難題。根據相關的電路知識，負載的電流與加在兩端的電壓不呈線性關系，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，所以可以得出結論：非線性負載是產生諧波的根本原因。關于電網中諧波的來源，可以概括為以下三個方面：
（一）由于發電源質量問題從而產生諧波，這是因為在制作發電機內部的三相繞組時，幾乎不可能做到絕對對稱，同樣發電機內部的鐵心也不會絕對的均勻一致。
（二）輸電網以及配電網中由于電力變壓器的存在，會不可避免的產生諧波。
（三）由用電設備所產生的諧波，這些用電設備主要是指非線性負載。
電力系統中的諧波會造成許多危害和負面影響，這些危害以及負面影響可以概括為以下幾個方面：
（一）電網中各個元件由于諧波產生了附加損耗，降低了輸電，用電效率。
（二）諧波會對繼電保護裝置，自動控制裝置等形成干擾甚至造成誤動。
（三）諧波可能會在電網局部引起串聯諧振或并聯諧振，諧波電流將放大幾倍甚至幾十倍，嚴重威脅電氣設備安全并誘發事故。
（四）電氣測量儀表會因諧波產生計量誤差，給供電部門和用戶造成直接經濟損失。
三、波抑制與無功補償裝置
想要解決電網諧波污染的問題，主要的解決方案可以從兩個方面入手：一是減少諧波的產生，另一個方法是安裝諧波補償裝置用來補償諧波，此方法對于各種諧波源都是適用的，哪里有消耗就在哪里產生補償，這個淺顯易懂的道理可以視作無功功率補償方法的基本原理，常用的無功補償裝置主要有以下四類：同步調相機、開關投切固定電容、靜止無功補償器、靜止無功發生器。一方面，一種設備或者裝置會產生出諧波，那么很有可能它也會消耗無功功率;另一方面，在抑制諧波的同時往往也可以起到補償無功的作用，因此將無功補償與諧波抑制的研究結合起來，在現階段看來是十分有必要的。諧波是原本正弦的信號發生了畸變，無功功率使得同相位的電壓與電流出現了相位差，這些現象在物理學中都可以視作為波形問題，可以用綜合補償的方法來處理電力系統中的諧波和無功功率問題，有源電力濾波器就是一種同時集合了諧波抑制和無功補償功能的新型裝置。
四、有源電力濾波器的起源、發展
APF的基本思想最早可以追溯 1969 年Bird和Marsh發表的論文，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逆變器結構，其基本原理就是通過逆變產生與諧波電流等值反向的電流，并注入電網，從而達到濾除諧波，凈化電網的目的。
上世紀八十年代末，并聯型APF、混合型APF、串聯混合型APF等多種拓撲結構的有源電力濾波器相繼出現。上世紀九十年代中期至本世紀初，自適應、神經網絡、滑模控制、重復控制、遺傳算法等現代智能控制方法得到了長足地發展。近幾年來，研究APF技術逐漸成為熱點，美日等國已經有許多大容量APF相繼投入到工業應用中，在諧波抑制以及無功補償方面都取得良好的效果。
五、APF的原理及分類
并聯型的APF主要由電流檢測電路以及電流補償電路兩大部分組成，將電路負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，電流補償電路通過對逆變電路進行控制，使其產生與諧波電流以及無功電流反向的補償電流，從而實現補償電路中由非線性負載所引起負載電流中的諧波分量和無功電流分量的目的。按照接入電網的方式， 有源電力濾波器又可以分為并聯型有源電力濾波器、串聯型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。并聯型有源電力濾波器結構是最簡單、最基本的APF，主電路由逆變器構成，它與電網電壓構成并聯關系，通過向電網中注入與檢測所得諧波大小相等、相位相差1800 的電流信號，將電網中的諧波抵消，實現將非線性負載所產生的諧波濾除，達到凈化電網的目的。并聯型APF思路清晰，容易實現，因此應用最多。串聯型有源電力濾波器用于補償電壓諧波。串聯型APF以串入電網的方式向電網中注入諧波電壓信號，實現將電網電壓變為標準正弦波。但在實際應用中，安裝、維護相對復雜，費用較高。
混合型有源電力濾波器，它是將串聯型、并聯型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 的諧波補償能力是最強的，但是從結構上可以很容易知道，混合型APF需要大量的電力電子器件，安裝、使用和維護都非常復雜，使用很不方便，尤其是成本太高，性價比很低，因此使用并不廣泛。諧波污染問題向電網供電質量提出了嚴峻的挑戰，本文對電網中存在的諧波以及無功功率的起因、危害、治理措施進行了較為詳細地闡述，最后找到了可以同時實現諧波治理和無功功率補償的功能的辦法，那就是應用APF，因此，APF有著廣泛的應用空間。
參考文獻
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[2]吳勇.有源電力濾波器若干關鍵技術研究[D].華中科技大學，2007.
[3]羅安.電網諧波治理[M].北京：中國電力出版社，2006.
作者簡介：
關鍵詞：自動化生產線；教學方法；電機與電氣控制；PLC；課程設計
中圖分類號：G712文獻標識碼：B文章編號：1006-5962（2013）02-0027-02
高職機電一體化專業課程設置的培養目標是：面向工業企業生產現場，電氣控制系統制造公司、機電設備制造公司、機電設備、電氣設備、工控設備制造公司或公司、科技開發公司，培養適應社會需要，全面發展，適應本專業相對應職業崗位的高等技術應用性專門人才，主要崗位群定位是自動化設備安裝員、自動化設備調試員、中高級維修電工等，本專業有五個主干學科：電氣工程、電子工程、機械工程、計算機科學與技術、控制科學與工程，都是為了崗位需要設置的專業知識。其中《自動化生產線安裝與調試》作為一門核心專業課在第四學期進行了貫穿和綜合。
1自動化生產線的課程設置
機電一體化專業人才培養能力有：識圖繪圖能力、機電安裝調試維修能力、電控系統調試檢修能力、自動線調試維護能力、機電設備管理能力及機電產品營銷能力等。《自動化生產線安裝與調試》前序課程有PLC技術、傳感器技術、電機與控制，后序課程有機床維修等。在我們所要實現的教學目標中知識目標涉及到：機械手工作原理、握機械手控制原理、機械手氣動原理、熟悉安全操作規程；能力目標有：對已安裝的機械手機械部件進行測量；對機械手的氣路進行基本調試；根據故障現象判斷故障部位；檢查分析、找到故障點并分析解決故障；遵守安全操作規程；素質目標有嚴謹的職業態度、規范的操作習慣、創新精神、團結協作精神、自主學習精神及溝通能力。
此核心課程以項目驅動教學開展課程教學，提升學生的職業能力，以具體自動化生產線為載體，融合認知、安裝、調試和檢測等內容，實現教、學、做、評一體化教學，突出課程的職業性、實踐性和開放性。以學生為主體，采取多樣化教學方法。以自動化設備改造為工作過程，涉及電路圖分析、電氣圖設計、程序設計、設備組裝、設備運行調試、設備檢測、設備維護等行動領域，設置六個學習情境：零配件拆裝、傳感器檢測、氣路檢測、異步電機檢測、步進電機檢測、整體檢測調試，分成20個任務。
項目一：供料站的安裝，有機械拆裝、氣路拆裝、電器拆裝三個任務；項目二：加工站的安裝，設計任務有加工站組裝、光電傳感器檢測、限位傳感器檢測三個任務；項目三：裝配站的安裝，設計任務有裝配站組裝、電磁閥檢測、氣缸檢測三個任務；項目四 ：分揀站的安裝，設計任務有分揀站組裝、傳送帶的檢測、異步電機的檢測、變頻器的檢測四個任務；項目五：輸送站的安裝，設計任務有輸送站組裝、光纖傳感器檢測、機械手檢測、步進電機的檢測、溜板檢測四個任務；項目六：整體運行調試，有PLC控制網絡構建、程序編寫、綜合調試三個任務。
2自動化生產線的教學方法與評價設計
2.1教學方法。
（1）講授法：講解項目任務，傳授項目任務相關的知識點，針對學生實施過程中出現的不足進行知識點的說明。
（2）現場教學法：在符合生產要求的工作環境中進行操作技能和維修應用能力實踐，提高職業氛圍，在工作過程中提升學生的職業道德、職業素養和崗位適應能力。
（3）任務驅動法：將教學過程融入項目任務中，讓學生自主討論分析實施，學生在工作過程中得到知識。
（4）小組討論法：學生每六～八人為一個小組，小組討論分析，討論解決，分工協作完成項目任務。
六步教學實施：明確任務、討論分析、制定方案、檢測故障、檢驗效果、總結分析。老師交代目標，注意觀察和記錄小組對現象分析情況，解答學生提出的問題，對跟主題分析偏離太遠的小組予以引導，讓學生自行摸索，在后期對學生可能會引起事故或損壞設備和工具的異常操作給予糾正，最后老師組織小組進行故障排除工作匯報，互評，并對每組進行考核評價，再引導學生自行總結。
2.2評價設計。
課程采用過程考核與期終考核相結合、企業考核與校內項目考核相結合、教師考核與學生考核相結合的多元化考核方式，利于理論聯系實際，有利于學生的學習創新和思考，更督促他們到實際中去發現和改進，去尋找合適自己的項目和課題。
課程考核為：校內項目，企業，綜合實訓三大類。當堂課的考核有：教師考核、小組互評、小組自評；教師考核內容為五項：任務分析情況，實施方案制定，任務完成質量、分工協作精神、故障檢測手段、安全操作規范、小組總結。
和很多專業課一樣，多種教學方法和全面的評價方案，有效保證了教學效果。
3相關課教學
3.1電機與電氣控制的教學。
本課程以發電機為主題，以工作任務為導向，以工廠實用型電氣控制系統設計、安裝、調試與維護情景教學為主線貫穿全課程，用實物進行直觀性教學，使學生感性認識強，理性認識夠。
典型的教學任務有三相異步電動機全壓啟動、三相異步電動機長動控制、三相異步電動機正反轉控制、三相異步電動機延時啟動控制（或三相異步電動機Y-降壓啟動）、機械手控制等。
課程特色是學生充分利用所學知識、網絡資源、閑瑕時間作為期三個月的“繼電控制課程設計”。任務書要求能夠根據功能要求選擇個元器件的類型及其型號；了解個元器件的工作原理和使用方法；把各元器件連接起來實現本課程設計的要求。設計內容和要求：兩臺電動機都存在重載啟動的可能，任何一級傳送帶停止工作時，其他傳送帶都必須停止工作，控制線路有必要的保護環節，有故障報警裝置。課程設計書要有課題介紹、題目、摘要、總體方案設計、設計目的、控制要求、設計要求、 硬件選型、主電路原理圖的設計、 控制電路原理圖的設計、重載保護電路設計、欠壓保護電路設計、總結。
3.2PLC教學。
PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，早期是一種開關邏輯控制裝置，隨著計算機技術和通信技術的發展，其控制核心采用微處理器，功能有了極大擴展，除了最廣泛的取代傳統的繼電器-接觸器控制的開關量邏輯控制外，還有過程控制，數據處理，通信聯網與顯示打印，PLC接口采用光電隔離，實現了PLC的內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、動作、轉換三個要素。順序功能編程法是將一個復雜的控制過程分解為小的工作狀態，這些狀態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上簡化了符號演變而來的，形象、直觀、實用，電氣技術人員容易接受，要求用帶CRT屏幕顯示的圖形編程器才能輸入圖形符號，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組成的功能塊來表達命令的圖形語言，與數字電路中的邏輯圖一樣，極易表現條件與結果之間的邏輯功能。
（4）指令表（IL）。
采用經濟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中的匯編語言。指令表程序較難閱讀，其中的邏輯關系很難一眼看出，所以在設計時一般使用梯形圖語言。如果使用手持式編程器，必須將梯形圖轉換成指令表后再寫入PLC，在用戶程序存儲器中，指令按步序號順序排列。
（5）結構文本（ST）是文字語言。
編程語言的學習是PLC教學的一項重要內容，中間加以不同的應用實例：順序控制電路、常閉觸點輸入信號的處理，使用多個定時器接力定時的時序控制電路、三相異步電動機正反轉控制電路、鉆床刀架運動控制系統的設計，LED數碼管顯示設計，還經常根據繼電器電路圖設計梯形圖。
增加的學習情境還常有如下任務：洗手間的沖水清洗控制、進庫物品的統計、競賽搶答器裝置設計、彩燈或噴泉PLC控制；尋找數組最大值并求和運算、電熱水爐溫度控制等。
3.3單片機。
單片微型計算機就是將CPU、RAM、ROM、定時/計數器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。用于示波器、報警系統、移動電話、彩電等日常方面，在智能儀器儀表、工業控制、家用電器、計算機網絡和通信領域、醫用設備領域、工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域也都有廣泛應用。
數據大都在單片機內部傳送，運行速度快，抗干擾能力強，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。教學內容以80C51為核心講授單片機的的引腳、存儲器組織結構、典型語句，以實例應用為線索：單燈受控閃爍、P1口外接8只LED發光二極管模擬彩燈、單片機做加、減、乘、除運算等項目。各子任務都作硬件電路及工作原理分析、主程序流程圖設計、源程序的編輯、編譯、下載、單片機的I/O接口分配及連接。
教學采用ISP-4單片機實驗開發板，可以完成大量的單片機學習、開發實驗，對學習單片機有極大的幫助。該板采用在線可編程的AT89S51單片機，有程序下載功能，可將編輯、編譯、調試好的單片機代碼下載到AT89S51單片機中。
3.4變頻器技術及應用。
變頻技術讓學生熟練掌握各種電力電子器件的工作原理、主要參數、驅動電路與保護技術；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用范圍；掌握脈寬調制控制、矢量控制和直接轉矩控制等先進技術；了解變頻器與感應電動機組成變頻調速系統、變頻器與雙饋電機組成調速系統、變頻器與同步電動機組成變頻調速系統，掌握電力電子電機系統的組成、工作原理、控制方法、運行特性等，是強電應用和現代技術推廣的有力體現。
3.5傳感器與自動檢測技術。
傳感器技術代替人的感觀，在各種環境下應用，檢測技術是一套有效的反應體系，包括信息的獲得、測量方法、信號的變換、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、結構、性能，并能正確選用，了解傳感器的基本概念和自動檢測系統的組成，對常用檢測系統有相應的分析與維護能力。對工業生產過程中主要工藝參數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換電路組成實用檢測系統的初步能力。
教學過程進行小論文制作，讓學生提高計算機應用水平，使學生從文字處理水平提高到辦公處理水平。對分節、目錄、文獻標識作嚴格要求。題目如數字顯示電子稱、基于霍爾傳感器的轉速表、單片機電子秤研究、光纖測溫儀、煙霧報警器、小車尋跡設計、電熨斗自動恒溫系統、電渦流探傷、電感測厚儀等。
4畢業論文指導分析
畢業論文專業聯系實際，通常小型自動化系統以單片機為主，大型自動化生產線以PLC為主，系統運行動力離不開電機，觀察離不開傳感器，調速可用變頻器，綜合所學，學生的論文涉及廣泛，有效教學可對應從如下方面側重指導。
4.1立意選題。
根據實際和研究方向做好側重和體現，如“觸摸屏控制的堿液配置系統”和“兩種液體混合裝置的PLC控制系統”的系統性和方向性，“車庫自動門的PLC自動控制”和“測速雷達信號處理系統”的檢測指標要求等。
4.2材料整合。
在任務要求明確的基礎上，首先確定相關技術指標，對應查找并列出論文結構，一份畢業論文至少含有三到五門課的內容，對應于研究方向進行相應編排和取舍。
4.3技術處理。
所搜集圖片的背景往往有水印，要去掉，圖片按要求進行不同方向的剪切。圖表里的文字應是五號或小五，注意表格標題要單獨標出等等格式要求。流程圖、梯形圖的設計與表現。
多種教學方法和理論聯系實際教出具有學習能力和創新能力的學生，系統的學習與應用創造練就出具有競爭力的學生，專業課的有效教學和畢業論文的順利設計將顯示本專業沉甸甸的含金量。
參考文獻
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[2]馬玉春.《電機與電氣控制》，北京交通大學出版社，2011年1月
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