现代电力电子的应用领域

2.1 计算机高效率绿色电源

高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年 6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。

2.2 通信用高频开关电源

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中, 通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、 48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

2.3 直流-直流(DC/DC)变换器

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。

2.4 不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。

目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

2.5 变频器电源

变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
（图）电子产品电子产品

国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2.6 高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。

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1  系统概述

该系统是一个包含不同体系结构的计算机和操作系统的异构系统。在系统中数据库服务器、存储服务器和数据处理服务器为运行 Linux操作系统的服务器，控制服务器为运行Windows Server 2003的服务器，终端计算机为运行Windows XP操作系统的工作站。从系统工作流程的角度来看，一个工作流程的实现往往需要多个服务器的参与，由此可见，系统本身是一个分布式的系统。系统中的软件和 软件之间常常存在相互调用的关系，一部分调用关系通过分系统的任务调度完成，另一部分则通过软件模块与软件模块之间的直接调用完成。服务器端软件和客户端 软件通过千兆以太网通信，采用TCP／IP协议，相互之间传递的消息采用XML(扩展标记语言)格式描述。

2  系统设计与工作原理

在 系统的设计中，采用运行控制、数据处理和系统监控彼此相对独立的机制。系统的人机交互采用“分布式部署，集中式操作”的原则进行设计。在处理系统的实际运 行中，大部分产品生产流程由在后台运行的服务程序完成。用户通过终端计算机对运行在其他服务器上的服务程序进行监控，在必要的情况下进行人工干预，这一过 程通过远程调用实现。一般情况下，用户不需要登录各服务器分别执行监控和管理操作，只通过终端工作站即可完成整个处理系统的监控和管理。系统总体结构设计 如图1所示。其设计功能的主要说明见表1。




PNode(数据处理服务器)通过千兆以太网络与CNode(控制服务器)、 DNode(数据库服务器)相连接，并通过光纤网络和SNode(存储服务器)相连接。各种数据处理软件以服务的形式运行在各个处理服务器上，对应于每一 种类型的数据处理任务，控制服务器上会有对应的消息队列，而各种数据处理软件时刻监视着对应的消息队列，当有任务来到时，对应的处理软件会将此任务取到本 地计算机上进行处理。在处理此任务的过程中，处理软件通过千兆以太网访问DNode来获得元数据信息(如存储地址、处理状态等)，通过光纤网络从 SNode上来获取原始数据并进行处理。在处理完成后，处理软件将新产生的元数据信息通过千兆以太网存储到DNode上的数据库中，而将产品数据通过光纤 网络存储到SNode上的存储系统中。

3系统之间通信的实现

在不同的操作系统之间的通信是本系统的关键环节，这 里采用消息队列的形式通过消息传输中间件来实现。消息队列为构造以同步或异步方式实现的分布式应用提供了松耦合方法。消息队列的API调用被嵌入到新的或 现存的应用中，通过消息发送到内存或基于磁盘的队列或从它读出而提供信息交换。消息队列可用在应用中以执行多种功能，比如要求服务、交换信息或异步处理 等。

消息传输中间件消息中间件(MOM)是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用系统借助这种软件在不同的技术之间共享资源，管理计 算资源和网络通讯。它在计算机系统中是一个关键软件，能实现应用的互连和互操作性，且保证系统安全、可靠、高效地运行。MOM位于用户应用和操作系统及网 络软件之间，它为应用提供了公用的通信手段，并且独立于网络和操作系统。中间件简化了应用之间数据的传输，屏蔽底层异构操作系统和网络平台，为开发者提供 一致的通讯标准和应用程序接口，当应用程序中嵌入其函数调用，它便可利用其运行的特定操作系统和网络环境的功能，为应用执行通信功能。消息中间件有很多 种，其中IBM消息中间件MQ以其独特的安全机制、可扩展性和跨平台性，以及强大的事务处理能力和消息通讯能力，成为消息中间件产品的佼佼者。

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