通信電源發展論文
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通信電源發展論文范文第1篇
[摘要]：通信電源是向通信設備提供交直流電的電能源，是整個通信電信網的能量保證。通信電源系統由交流供電系統、直流供電系統和相應的保護系統構成。通信電源系統的設備多，分布廣，不僅單個電源設備的可靠性會影響系統的可靠性，電源系統的總體結構也會對自身的可靠性造成很大的影響。
一、通信電源的發展現狀
（一）供電系統的現狀
通信電源是通信系統必不可少的重要組成部分，其設計目標是安全、可靠、高效、穩定、不間斷地向通信設備提供能源。通信電源必須具備智能監控、無人值守和電池自動管理等功能，從而滿足網絡時代的需求。通信電源系統由交流配電、整流柜、直流配電和監控模塊組成。
（二）通信電源設備的更新換代
近年來，隨著技術的進步，特別是功率器的更新換代，新型電磁材料的不斷使用，功率變換技術的不斷改進，控制方法的不斷進步，以及相關學科的技術不斷融合，通信電源在系統的可靠性、穩定性，電磁兼容性，消除網側電流諧波、提高電能利用率、降低損耗、提高系統的動態性能等等方面都取得長足的進步。
（三）現行通信電源的電路模型和控制技術
目前通信電源的變換電路拓撲結構主要采用雙單端電路，半橋電路和全橋電路，各有優缺點。一般認為，在中、小功率場合，采用雙單端電路或半橋電路是適宜的；在大功率場合則采用全橋變換電路。
二、通信電源發展趨勢
（一）開關器件的發展趨勢
電源技術的精髓是電能變換，即利用電能變化技術將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。其中，開關電源在電源技術中占有重要地位，從10kHz發展到高穩定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫茲級，開關電源的發展為高頻變化提供了硬件基礎，促進了現代電源技術的繁榮和發展。
（二）通信直流電源產品的技術發展市場需求發展
在需求與技術的共同推動下，通信直流電源產品體現了如下的發展態勢：
體系架構相當長的一段時間內維持穩定。通信直流電源在相當長的時間內還是維持現有的交流配電、整流器模塊(并聯)、直流配電、監控單元、蓄電池等為主要組成部分的架構；功率變換模式也將維持現有的高頻開關模式，暫時不會出現類似從線性電源到開關電源的階躍性的變化。
功率密度不斷提高。通信一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高，但配電器件、蓄電池等密度基本維持穩定，一定程度制約了整機系統的功率密度的提高比率。
更高的可靠性。高可靠性是通信電源的最基本要求。隨著器件技術、通信電源技術的成熟，以及各通信直流電源設備廠家在可靠性研究上大力投入，通信直流電源產品可靠性呈不斷提高的趨勢。
按照TRIZ理論(“創造性解決問題的理論”的俄語縮略語)描述的技術系統發展進化規律，一般而言，技術的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，通信直流電源的核心技術，開關電源技術基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高，未來幾年甚至十幾年內，通信直流電源產品將進入一個緩慢發展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現，通信直流電源產品就會再出現一個階躍性的發展，就像開關穩壓技術替代線性穩壓技術，給電源帶來了革命性的變化。
（三）通信用蓄電池技術研究的新進展
通信用蓄電池作為通信系統后備的能源供應手段，其研制、生產和應用技術一直備受世界各國通信行業的重視。隨著科技的發展和技術的不斷進步，國外正在研制和試驗新一代的通信用蓄電池，有的已經進入商用化階段。這些新的蓄電池，由于其材料、結構和技術上的先進性，在性能上具有傳統的VRLA電池無可比擬的優越性。
1．釩電池（VanadiumRedoxBattery）。釩電池（VRB）是一種電解值可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。
2．燃料電池。燃料電池是一種化學電池，也是一種新型的發電裝置，它所需的化學原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產生0.9V電壓的直流電能，同時產生大量的熱能。
3．電源監控系統的發展。隨著互聯網技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發展，通信系統從以前的單機或小局域系統逐漸發展至大局域網系統或廣域網系統，大量人力、物力被投入到網絡設備的管理和維護工作上。不過通信設施所處環境越來越復雜，人煙稀少、交通不便都會增大維護的難度，這對電源設備的監控管理提出了新的需求，保護通信互聯網終端的電源設備必須具備數據處理和網絡通信能力。此時，數字化技術就表現出了傳統模擬技術無法實現的優勢，數字化技術的發展逐步表現出傳統模擬技術無法實現的優勢。
4．通信電源的環保要求。環保問題，一方面的指標是通信電源的電流諧波要符合要求，降低電源的輸入諧波，不但可以改善電源對電網的負載特性，減少給電網帶來嚴重污染的情況，還可減少對其他網絡設備的諧波干擾。另一個重要方面，是材料的可循環利用和環境的無污染，這方面需要產品滿足WEEE/ROHS指令。
在通信電源開發、生產早期，人們主要集中研究電源的輸出特性，較少考慮到電源的輸入特性。例如：傳統的在線式電源輸入AC/DC部分通常采用橋式整流濾波電路，其輸入電流呈脈沖狀，導通角約為π/3，波峰因數大于純電阻負載的1.4倍。這些諧波電流大的電源給電網帶來了嚴重的污染，使電網波形失真，實際負荷能力降低，對于三相四線制的電網來說，還很有可能因中性線電流過大而出現不安全隱患。
參考文獻：
朱雄世，《通信電源的現狀與展望》
《淺析全球通信電源技術發展趨勢》
《通信直流電源發展趨勢》
孫向陽、張樹治，《國外通信用蓄電池技術研究的新進展》
《通信電源技術發展趨勢及標準研究方向》
曾瑛，《淺談通信電源》
王改娥、李克民，《談我國通信電源的發展方向》
王改娥、李克民，《我國通信電源的發展回顧與展望》
侯福平，《UPS系統在通信網絡中使用的特點及要求》
《全球通信電源技術發展呈現五大趨勢》
通信電源發展論文范文第2篇
【關鍵詞】通信電源;功率因數;校正技術
1.引言
近年來，現代高頻通信開關電源在日常生活中得到了廣泛應用，特別是在直流、交流、工業電源等方面。現代化通信在微電子通信技術的領域高速發展，電源系統是所有通信設備必須具備的，其質量與通信效果和質量有著直接關系[1]。眾所周知，通信設備往往由很多部分組成，關鍵組成部分之一就是通信開關電源，它常常被比作是通信設備的“心臟”。開關電源技術通過合理利用半導體功率器件，不僅實現高效率電能變換，還能將粗電轉變為精電。在開關電源中，半導體功率器件工作方式有高效率、高功率密度、高可靠性的優點，是因為它工作在高頻開關方式[2]。當今功率因數校正技術日益涌現出實用化、專業化和高性能化的各種新技術，PFC技術的持續發展會緊跟新需求、改進器件制造工藝、改善控制方法的方向穩步前進[3]。
圖1 集中供電通信電源系統
（a）不間斷;（b）可短時中斷;（c）允許中斷
2.通信電源系統介紹
交流和直流供電是通信電源系統中主機模塊主要的兩種供電標準，同理通信電源系統也分成交流不斷續供電和直流不斷續供電兩種方式，依靠蓄系統中電池存儲的電源來達到這兩種類型系統不斷續供電。主機不間斷供電的電源是通信電源系統中不可缺少的，允許短時中斷的存在是為了保證建筑負荷，機房電器例如空調等和允許中斷的一般建筑負荷用的電源也是必需的。上面提到的供電兩大系統又劃分為3級：在集中供電通信電源系統中這1～3級的作用分別是保障能源供應、持續不間斷供電、主機獲得多電壓多品種電源。如圖1所示。
因為交流不間斷供電系統工作方式比較簡單，通常是交流整流為直流，再由直流逆變為交流的方式，這會直接關系到系統各項參數的優劣，并且交流的并聯和旁路技術也不容易，所以，當今主要的通信設備及供電電源的選擇仍舊是以直流不間斷供電作為首選。
3.通信電源功率因數介紹
（1）功率因素的定義
由基本理論得，功率因素是有功功率（P）和視在功率（S）的比值，用公式：
功率因素=
其中I1是輸入電流基波有效值;IR是電網電流有效值，，其中I1，I2，…，In是輸入電流各次諧波有效值;U1是輸入電壓基波有效值;是輸入電流的波形畸變因數;是基波電壓和基波電流的位移因數。
（2）功率因數的考慮因素
功率因素在通信電源中很重要，需要考慮很多因素，例如操作不當整流電路部分后繼令輸出，造成電壓顯得平滑的濾波電容，通常都會干擾通信開關電源對應的功率因數，結果就是顯示低，尖脈沖形式的電流波形就會輸入，輸入電流因為有不少成分的諧波，除了使得噪聲干擾增加，而且AC-DC整流電路大受影響，那么在輸入端就必須增加濾波器，而這又讓制造成本更高、尺寸更大、重量參數增加。很多電流諧波分量在這個時候污染電網成分，主要包括：第一，出現二次效應現象，在工作電流通過對應的阻抗時，能造成電網電壓發生變形。第二，對應諧波電流會造成電路工作不正常，損害設備。第三，在三相四線模式的電路中，三次成分諧波產生相同相位的電流，但合成相應中線的電流需很大，這樣會讓同相電流太大，假如中線位置沒有保護電路的結構，那么中線過流后必然會導致中線過熱的發生，這樣會讓相應電氣設備損壞甚至造成火災。第四，諧波成分的出現，帶來各種副作用，常見的就是相鄰通信電源系統互相干擾，假如是一般的噪聲，通信效果與質量下降先不說，還可能讓對應信息消失，造成無法挽回的損失。
（3）功率因數的校正技術
第一，多脈沖式整流方法。
它主要運用變壓器的特性，達到N次不同諧波電流移相的結果，使奇次諧波抵消。這種做法在變壓器負載匹配時，對減少輸入端的低次諧波是有用的。
第二，引入濾波電感。
在電路整流器與電容之間串聯電感，或在交流側操作，接入諧振濾波器。在電路結構、成本話費、可靠性上、電磁干擾方面都具有很大優勢;主要缺點是在尺寸、重量都很大，很難獲得高功率因數，頻率、負載和輸入電壓改變直接影響工作性能，電感、電容都具有大的充放電電流等。此方式在抑制高次諧波方面有一定作用，而因為濾波設備通常較多，并且系統阻抗能改變運行狀況，如果不加入調諧電抗器，較容易跟系統電抗一起出現并聯諧振。因為這個方法相對容易，目前還在用簡單結構來改進。
第三，有源式功率因數校正方法。
該法利用有源開關或AC/DC轉換技術，達到輸入電流與電網電壓的相同相位。整個系統的整流器跟負載部分間接入DC開關式的變換器，同時還有電流式反饋構架，為了讓輸入端對應的電流波形跟交流輸入的對應正弦電壓波形發生同步。這類方式特別的地方是能容易達到對應的高標準功率因數，讓波形發生畸變可能性減小，適應和較寬輸入電壓工作，大小、重量適中，對應輸出電壓保持穩定。缺點是：電路構造不簡單，平均無故障時間減小，話費大，效率不高。
4.結論
由于現代化生活人民群眾生活質量普遍提高，因此在通信電源質量上的需求也在日益提高，在通信行業具有十分良好的前景。但是通信電源功率因數卻在慢慢下降，這種情況不僅讓高端復雜通信設備無法在各個方面達到各種應用要求，而且通信系統在效果、質量都會逐漸下降，從而造成社會資源利用低下、能源嚴重浪費、通信電源功率因數校正技術止步不前。當今正是通信領域蒸蒸日上的時候，要想持續快速發展，高功率因數通信因數校正技術還有很多待改善的空間。
參考文獻
通信電源發展論文范文第3篇
關鍵詞 管理；通信電源；監控；無線傳輸
中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）20-0023-01
在通信領域，大多數的網元設備用到的都是直流電。但是民用的電源大多數都是交流的，所以需要通過整流的過程，將交流轉化為直流，然后才能為通信系統中的交換單元、路由單元等設備供電，通信電源就是扮演了這樣的角色。電源系統作為通信系統的重要組成部分，一旦發生故障，就有可能導致系統癱瘓，造成的危害將是災難性的，因此，在實際的操作中，對通信電源的管理和維護就顯得尤為重要。
1 通信系統總體設計
在實際的通信網絡中，通信電源分布極為廣泛，對這么龐大的系統進行管理并非易事。可以參照DCS集散控制系統（計算機集散控制系統）的基本原理：將一臺機器作為主機，其他多個機器作為從計算機與主機互聯，由此組成一個網絡來完成數據的交互處理。并且在很多的場合，DCS機器的狀態都是并聯的。只有遇到了特殊的場合，DCS設備才與主機設備有數據信息的交換。
將DCS集散控制系統的這種層次化結構用到通信電源的監控和管理體系中來，結合DCS所具有的優點，就能夠使得通信系統能夠在保持高速控制的情況下仍能夠可靠的運行。
通信系統的電源集中監控系統從整體上來說，可以劃分為3部分：
1）監督控制模塊：其功能是對數據的現場采集，并且在遠端控制做出指示的時候，能夠快速響應，以及對系統異常狀態的監測。
2）監控管理中心： 其功能是收集、處理、遙控各個支局的數據信息，并且響應現場監控機的告警消息。
3）通信組網線路：其作用是作為底層傳輸，將數據消息從監控中心可靠地傳輸到當地監管控制機器設備。
2 監控管理中心系統架構
在監控系統的設計過程中，監控管理中心負責數據庫管理和遠程通信，其功能有很多，主要包括：每個現場監控室都會產生各自的監控數據，監控管理中心就是負責匯總并存儲這些數據，一些更為智能化的系統還會對這些數據進行整理和分析，從而生成監測報告，當然，監控管理中心還需要提供監測報告打印的服務，并且能夠響應下位機的報警信息，能夠收到上層管理中心傳遞相關消息，并且要求具備遠程設置和控制等功能。
借助于軟件人機界面，下面介紹一個簡易的軟件結構：
從性能上來說，Windows2000較Widows98更為領先，且Windows 2000 server在文件服務器部署時較Widows98快了49%，在加載CPU的情況下，Windows 2000 的性能顯得更為高效，較Windows NTServer4.0的系統而言，Windows 2000的性能改善了約為125%；從可靠性來說，Windows2000改進了系統體系結構，所以Windows2000提供的可用時間遠高于其他競爭產品（包括Windows NT的）。考慮到上位機是直接面向用戶的，一個良好的人機界面是很有必要的，并且綜合上面考慮的因素，上位機的操作環境選擇Windows 2000。
考慮到VisualBasic6.0 對數據庫的管理操作簡易方便，開發方便、周期短、并且高效，再者，從通訊方面來說，它支持了不同的方法來滿足不同的需求。因此，綜合考慮了上述的因素，最終決定在編程開發軟件的選擇上，將Visual Basic6.0這款軟件作為首選的方案。
2.1 設計軟件的基本流程及模塊
通信電源集中監控系統軟件由眾多模塊組成。主要包括如下模塊：有好的用戶界面模塊、設置模塊、遠程信息交互模塊、系統安全模塊、維護管理模塊、查詢模塊、報警模塊、實時顯示數據模塊、監控模塊的管控模塊、生成報表模塊、打印報告模塊，還有其他模塊，此處不一一敘述。
2.2 數據庫的維護與開發
考慮到Microsoft Access 的內置數據庫引擎——Microsoft Jet Engine同時也是Access數據庫的內置引擎，所以選用Access作為此系統的數據庫。
在監控管理中心的系統中有多個數據表，它們相對獨立的存儲，并且同時包含于同一個數據庫中（該數據庫名為RECORD. MDB）。將數據表按照類型來劃分的話，數據庫的數據表就分為如下4種：
1）存儲各個現場監控室提供的實時數據的數據表。
2）存儲歷史數據的表。
3）能夠存儲系統安全性配置表中的數據表。
4）存儲系統正確運行時配置的數據表。
用戶無需維護和管理這么龐大的數據表，大多數都是通過后臺進程來處理；只有極少數（比如：分支機構運營商與需要用戶直接訪問的數據庫）的數據庫需要進行直接的管理和維護。管理和維護的內容也很簡單，只需要用結構化查詢語言SQL進行諸如創建數據庫，添加數據，刪除數據，對數據進行排序，查詢特定數據和定位數據的操作即可。
VB（Visual Basic）對數據庫的操作方法有多種，比如可以用可視化數據管理數據庫。此外，還可以用Data Control控件訪問數據庫，這是最為方便的做法，只需要在操作窗上加載帶有數據的約束Data 控件，就可以完成對數據庫的操作，但是此種方法的缺點是無法進行程序控制以及不能對信息進行檢索。
此外，還可以通過ODBC方法來訪問遠程數據庫的數據。同時，采用這種方法還能夠對系統使用的變量進行訪問。這種訪問數據庫的方法唯一的不足就是需要編寫復雜的應用程序，雖然復雜，但是卻有著很好的應用靈活性，因此可用于編寫高效的數據庫操作應用軟件。
Visual Basic中，可以對數據庫進行方便快捷的操作。通過SQL（結構化查詢語言）命令您可以輕松地訪問數據庫，并且借助SQL語言可以方便的創建表和索引，并能夠在數據表中添加或刪除列或索引，借助SQL語言還可以在表中更新、刪除、添加、檢索記錄。
3 結論
本論文設計的電源監控系統可以實現通信網元運行數據的收集和處理，為管理維護提供數據支撐，同時，還可以降低系統的故障風險，在系統故障時及時報警，準確定位，減少因為電源故障造成的停機，并且能夠快速定位故障點，為排查和維修爭取時間。從而促進整個通信領域向集約化、智能化方向發展。這無疑對整個通信系統都有著重要的意義。
參考文獻
通信電源發展論文范文第4篇
論文摘要：依據茂名聯通基站的實際情況，結合各大運營商的移動通信基站普遍存在的問題，提出了如何確保基站內的設備運行安全及防盜等問題。針對該問題設計出一套從根本上提高動力設備維護水平和效率，達到監控智能化的目的的系統，并對該系統進行需求分析和設計。
l概述
隨著我國移動通信事業的飛速發展，各大運營商的移動通信基站的數量日益增加，身處城鄉結合部或偏遠山區的移動通信基站因常年無人值守成為盜竊分子的光顧目標，基站的各種附屬設備如蓄電池、鐵塔角鋼、空調外機、銅地線(排)、饋線等設備也成了盜賊的主要偷竊目標。目前，如何確保基站內的設備運行安全及防盜，已成為基站維護的首要難題。
2目前基站的現狀
目前，茂名聯通基站環境監控設備仍為老式的環控箱接人監控，通過采集模擬量輸入到基站主設備上，從而完成上報，且只能上報簡單的停電、開門、高溫、積水和煙霧等告警，無法遠程測量和調整參數。另外，環控箱的告警上報依賴于主設備的運行，一旦BTS斷站，其便無法工作。為緩解日益緊張的人員及維護工作的壓力，從根本上提高動力設備維護水平和效率，達到監控智能化的目的，建設一套高水平的基站動力設備及環境集中監控系統是十分必要的。
3需求分析和設計思路
對茂名聯通新建的動力環境集中監控系統，除了要達到基本的監控目的以外，更重要的是實現智能化監控要求。它包括以下三個方面：
(1)交、直流動力系統。監控對象包括：配電箱、開關電源、蓄電池等。監控范圍包括：市電輸入三相電壓、三相電流、功率因數、頻率、有功功率、電度、整流模塊單體輸出電流、總負載電流、蓄電池充電電流、市電狀態(市電有／無，缺相，欠壓／過壓)、蓄電池組總電壓、每組蓄電池充、放電電壓等。通過對動力系統實時不間斷的監控，了解每個基站電源輸入輸出、整流模塊設備的運行情況，對電源設備出現的問題和故障能在最短的時間內做出反應和處理；蓄電池是整個直流供電系統的后備電源，我們通過監控，對蓄電池組總電壓以及每組電池充、放電電壓進行統計和分析，對有問題的電池及時進行更換，真正做到有備無患。
(2)空調、環境系統。監控內容包括：機房智能空調系統、基站分體空調(開關機、工作狀態指示、空調工作電流)、溫度、濕度、水浸地濕、嫻霧告警以及動態圖像等。保證設備運行在恒溫恒濕的環境中。
(3)門禁系統。監控內容包括：遠程開門、修改門禁內部的各種工作和控制參數、授權、刪除用戶、用戶的準進時段管理，以及各種報警記錄、進、出門記錄、刷卡、出門按鈕開門事件、門禁內部參數被修改的記錄等。
4拓撲結構
茂名聯通基站動力環境集中監控系統采用逐級匯接的結構，由省公司監控中心(PSC)、地市公司監控中心(SC)、監控單元(SU)和監控模塊(SM)構成，采用監控中心(sc)與監控單元(su)直聯的方式。具體結構如下：
省監控中心(PSC)主要對地市監控中心(sc)進行監督、維護管理。監控中心配有數據庫服務器，各地市監控中心(SC)的數據直接上傳省監控中心。
茂名監控中心(sc)主要對本地區的各個監控單元(su)進行管理，是本區域監控系統的管理中心，完成全網的監控信息的統計分析及處理，并對遠端監控設備進行遙測、遙調，對監控對象(機房設備、環境、圖像)進行管理，同時，還具有強大的門禁管理功能。所有的監控中心均可以通過D接口與廣東聯通綜合網管系統相連。
監控單元(su)是集數據采集、處理、存儲、傳輸為一體的智能化模塊化單元，能夠完成一個獨立的物理通信基站內所有監控模塊(SM)的管理工作，并將采集的數據集中通過1條2M電路上傳到監控中心(SC)。
監控模塊(SM)是面向具體的監控對象，具有完成數據采集和必要控制的功能。按照監控對象類型的不同，可分為：防盜、積水、電源管理、空調管理等模塊。
5參考規范
(1)中國聯通集團公司2009年3月《中國聯通移動網基站動力及環境集中監控系統總體技術要求》；(2)《通信電源和空調集中監控系統技術要求》(XDN023—96)；(3)《通信局(站)電源系統總技術要求》(YD／T1051—2000)；(4)《通信電源集中監控系統設計規范》(YD／T5027—2005)；(5)《通信電源集中監控系統工程驗收規范》(YD／T5058—2005)；(6)《通信開關電源系統監控技術要求和試驗方法》(YD／TI104—2001)；(7)《通信局(站)電源、空調及環境集中監控系統技術規范》(GF006—2000)。
6具體功能和意義
(1)實時監控告警。無論基站距離遠近，一旦設備產生告警都能在數秒內將告警信息上報至監控中心。值班人員能在第一時間發現告警并做通知相關專業人員進行處理。例如深夜情況下基站上報防盜告警，這時值班人員可以通過轉動攝像頭觀察站內環境，從而判斷是否有盜賊入侵，并及時通知代維和l1O前往。
(2)數據采集分析。本監控系統能夠對設備數據進行24小時連續記錄，能真實可靠地反映設備的運行情況。這些數據是設備障礙分析的得力工具。比如在蓄電池維護方而。密封式閥控電池對均浮充電壓和溫度條件要求較高。通過監控系統就可以隨時查看電池電壓和環境溫度，省去了大量的現場測量工作。通過對采集的數據進行分析，還可以從中判斷哪些基站的電池單體存在問題并及時加以解決。
(3)加強維護管理。本監控系統徹底改變了舊的電源、空調等設備的維護模式。以前的維護方式是等設備出現問題后進行應急搶修，現在可以運營商可以真正掌握所有電源、空調設備24小時的運行狀況，實現有的放矢的主動維護，真正做到設備的預檢預修。這種管理從根本上改變了過去維護的被動局面，對設備的故障告警可以實現派單式的閉環流程管理。
(4)降低維護成本。本監控系統能大大提高維護質量，降低運營成本，給公司帶來直接的經濟效益，真正實現了移動通信基站的無人值守。以日常維護的基站巡檢為例，現在可以在監控中心對設備進行實時巡檢，減少了無謂的維護支出。基站實行設備代維之后，還可通過監控系統對代維廠家進行考核，從而提高維護管理質量。
通信電源發展論文范文第5篇
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。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。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。
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,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。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。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。
現代電力電子技術是開關電源技術發展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現,現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態,從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優良的開關電源。
