有關(guān)電力工程中電氣自動(dòng)化技術(shù)探析論文
摘要：我國電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)最早開(kāi)設于 50年代，一開(kāi)始名稱(chēng)為工業(yè)企業(yè)電氣自動(dòng)化，后來(lái)雖然經(jīng)歷了多次專(zhuān)業(yè)性的調整，但由于其專(zhuān)業(yè)面寬，適用性廣，所以到如今一直很受歡迎，據教育部門(mén)最新公布的本科專(zhuān)業(yè)設置目錄中，它屬于工科電氣信息類(lèi)。本文中主要針對這類(lèi)電氣自動(dòng)化技術(shù)的一些發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：電力工程，電氣自動(dòng)化，自動(dòng)化技術(shù)
l 全控型電力電子開(kāi)關(guān)逐步取代半控型晶閘管
50 年代末出現的晶閘管標志著(zhù)運動(dòng)控制的新紀元。它是第一代電子電力器件，在我國至今仍廣泛用于直流和交流傳動(dòng)控制系統。隨著(zhù)交流變頻技術(shù)的興起，相繼出現了全控式器件 ― CTR、 GTO 、 P - MOSEFT 等。這是第二代電力電子器件。由于目前所能生產(chǎn)的電流／電壓定額和開(kāi)關(guān)時(shí)間的不同，各種器件各有其應用范圍。
GTR 的二次擊穿現象以及其安全工作區受各項參數影響而變化和熱容量小、過(guò)流能力低等問(wèn)題，使得人們把主要精力放在根據不同的特性設計出合適的保護電路和驅動(dòng)電路上，這也使得電路比較復雜，難以掌握。
GTO 是一種用門(mén)極可關(guān)斷的高壓器件，它的主要缺點(diǎn)是關(guān)斷增益低，一般為 4~5，這就需要一個(gè)十分龐大的關(guān)斷驅動(dòng)電路，且它的通態(tài)壓降比普通晶閘管高，約為 Zv ~ 4 . 5v , 開(kāi)通 di /d t 和關(guān)斷 dv / dt 也是限制 GTO推廣運用的另一原因，前者約為 500A /us ，后者約為 500V /u s ，這就需要一個(gè)龐大的吸收電路。
由于GIR 、GTO 等雙極性全控性器件必須要有較大的控制電流，因而使門(mén)極控制電路非常龐大，從而促進(jìn)廠(chǎng)新一代具有高輸人阻抗的 MOS 結構電力半導體器件的一切。功率 MOSFET 是一種電壓驅動(dòng)器件，基本上不要求穩定的驅動(dòng)電流，驅動(dòng)電路只需要在器件開(kāi)通時(shí)提供容性充電電流，而關(guān)斷時(shí)提供放電電流即可，因此驅動(dòng)電路很簡(jiǎn)單。它的開(kāi)關(guān)時(shí)間很快，安全工作區十分穩定，但是 P - MOSFET 的通態(tài)電壓降隨著(zhù)額定電壓的增加而成倍增大，這就給制造高壓 P - MOSFET 造成了很大困難。
IGBT是 P -MOSFET 工藝技術(shù)基礎上的產(chǎn)物，它兼有 MOSFET 高輸人阻抗、高速特性和 GTR 大電流密度特性的混合器件。其開(kāi)關(guān)速度比 P -MOSFET 低，但比 GTR 快；其通態(tài)電壓降與 GTR 相擬約為 1 .5 V ~ 3 .5v ，比 P - MOSFET 小得多，其關(guān)斷存儲時(shí)間和電流卜降時(shí)間為別為 0 . 2 us一 04 us和 0 . 2us ~ 1 . 5us，因而有較高的工作頻率，它具有寬而穩定的安個(gè)工作區，較高的效率，驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
MOS 控制晶閘管（ MCT ）是一種在它的單胞內集成了 MOSFET的品閘管，利用M OS 門(mén)來(lái)控制品閘管的開(kāi)通和關(guān)斷，具有晶閘管的低通態(tài)電壓降，但其工作電流密度遠高 IGBT和 GTR ，在理論上可制成幾千伏的阻斷電壓和幾十千赫的開(kāi)關(guān)頻率，且其關(guān)斷增益極高。
IGBT和MGT 這一類(lèi)復合型電力電子器件可以稱(chēng)為第三代器件。在器件的復合化的同時(shí)，模塊即把變換器的雙臂、半橋乃至全橋組合在一起大規模生產(chǎn)的器件也已進(jìn)入實(shí)用。在 模塊化和復合化思路的基礎卜，其發(fā)展便是功率集成電路 PIC ( Powerl , lntegratcd Cirrrrcute ) , 在 PIC，不僅主回路的器件，而且驅動(dòng)電路、過(guò)壓過(guò)流保護、電流檢測甚至溫度自動(dòng)控制等作用都集成到一起，形成一個(gè)整體，這可以算作第四代電力電子器件。
2 變換器電路從低頻向高頻方向發(fā)展
隨著(zhù)電力電子器件的更新，由它組成的變換器電路也必然要換代。應用普通晶閘管時(shí)，直流傳功的變換器主要是相控整流，而交流變頻船動(dòng)則是交一直一交變頻器。當電力電子器件進(jìn)入第二代后，更多是采用PWM 變換器了。采用PWM方式后，提高了功率因數，減少 了高次諧波對電岡的影響，解決了電動(dòng)機在低頻區的轉矩脈動(dòng)問(wèn)題。
但是PWM 逆變器中的電壓、電流的諧波分量產(chǎn)生的轉矩脈動(dòng)作用在定轉子上，使電機繞組產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出噪聲。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種方法是提高開(kāi)關(guān)頻率，使之超過(guò)人耳能感受的范圍，但是電力電子器件在高電壓大電流的情況下導通或關(guān)斷，開(kāi)關(guān)損耗很大。開(kāi)關(guān)損耗的存在限制了逆變器工作頻率的提高。
1986 年美國威斯康星大學(xué) Divan 教授提出諧振式直流環(huán)逆變器。傳統的逆變器是掛在穩定的直流母線(xiàn)上，電力電子器件是在高電壓下進(jìn)行轉換的‘硬開(kāi)關(guān)’，其開(kāi)關(guān)損耗較大，限制了開(kāi)關(guān)在頻率上的提高。而諧奪式直流環(huán)逆變器是把逆變器掛在高頻振蕩過(guò)零的諧振路上，使電力電子器件在零電壓或零電流下轉換，即工作在所謂的‘軟開(kāi)關(guān)’狀態(tài)下，從而使開(kāi)關(guān)損耗降低到零。這樣，可以使逆器尺寸減少，降低成本，還可能在較高功率上使逆變器集成化。因此，諧振式直流逆變器電路極有發(fā)展前途。
3 交流調速控制理論日漸成熟
1971 年，德國學(xué)者 F , Blaschke 發(fā)表論文闡明了交流電機磁場(chǎng)定向即矢量控制的原理，為交流傳動(dòng)高性能控制奠定了理論基礎。矢量控制的基本思想是仿照直流電動(dòng)機的控制方式，把定子電流的磁場(chǎng)分量和轉矩分量解耦開(kāi)來(lái)，分別加以控制。這種解耦，實(shí)際上是把異步電動(dòng)機的物理模型設法等效地變換成類(lèi)似于直流電動(dòng)機的模式，這種等效變換是借助于坐標變換完成的。它需要檢測轉子磁鏈的方向，且其性能易受轉子參數，特別是轉子回路時(shí)間常數的影響。加上矢量旋轉變換的復雜性，使得實(shí)際的控制效果難于達到分析的結果。
1985 年德國魯爾大學(xué)的 Depenbrock 教授首次提出了直接轉矩控制的理論，接著(zhù) 1987 年又把它推 廣到弱磁調速范圍。大致來(lái)說(shuō)，直接轉矩控制，用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下分析計算與控制電流電動(dòng)機的轉矩。采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調節（Band 一 Band 控制）產(chǎn)生 PWM 信號，直接對逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省掉了復雜的矢量變換與電動(dòng)數學(xué)模型的簡(jiǎn)化處理，大大減少了矢量控制中控制性能參數易受參數變化影響的問(wèn)題，沒(méi)有通常的 PWM 信號發(fā)生器，其控制思想新穎，控制結構簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號處物理概念明確，轉矩響應迅速，限制在一拍之內，且無(wú)超調，是一種具有高靜動(dòng)態(tài)性能的新型交流調速方法。
4 通用變頻器開(kāi)始大量投入實(shí)用
一般把系列化、批量化、占市場(chǎng)量最大的中小功率如 400KVA 以下的變頻器稱(chēng)為通用變頻器。從產(chǎn)品來(lái)看，第一代是普通功能型 U / F 控制型，多采用 16 位 CPU ，第二代為高功能型 U /F 型，采用 32位DSP或雙 16 位CPU 進(jìn)行控制，采用了磁通補償器、轉差補償器和電流限制拄制器．具有挖土機和“無(wú)跳閘”能力，也稱(chēng)為“無(wú)跳閘變頻器”。這類(lèi)變頻器！目前占市場(chǎng)份額最大。第三代為高動(dòng)態(tài)性能矢量控制型。它采用全數字控制，可通過(guò)軟件實(shí)現參數自動(dòng)設定，實(shí)現變結構控制和自適應控制，可選擇 U /F頻率開(kāi)環(huán)控制、無(wú)速度傳感器矢量控制和有速度傳感器矢量控制，實(shí)現了閉環(huán)控制的自?xún)?yōu)化。從技術(shù)發(fā)展看，雖然電力半導體器件有GTO、GTI、 IGBT，但以后兩種為主，尤以 IGBT為發(fā)展趨勢：變頻器的可靠性、可維修性、可操作性即所謂的 RAs ( Reliabiliry，Availability，Serviceability）功能也由于采用單片機控制動(dòng)技術(shù)而得以提高。
5 單片機、集成曳路及工業(yè)控荊計算機的發(fā)展
以 MCS-51為代表白 8 位機雖然仍占主導地位，但功能簡(jiǎn)單，指令集短小，可靠性高，保密性高，適于大批量生產(chǎn)的 PIC系列單片機及CMS97C系列單片機等正在推廣，而且單片機的應用范圍已開(kāi)始擴展至智能儀器儀表或不太復雜的工業(yè)控制場(chǎng)合以充分發(fā)揮單片機的優(yōu)勢另外，單片機的開(kāi)發(fā)手段也更加豐富，除用匯編語(yǔ)言外，更多地是采用模塊化的（ - 語(yǔ)言、PL / M 語(yǔ)言。
在集成電路方面，需要重點(diǎn)說(shuō)明的是集成模擬乘法器和集成鎖相環(huán)路及集成時(shí)基電路在自動(dòng)控制系統中運用很廣。在電機控制方面，還有專(zhuān)用于產(chǎn)生 PWM 控制信號的 HEF4752、 TL494 、 SL E4520 和 MA818 等應用也相當廣泛。
在邏輯電路方面，值得注意的是用專(zhuān)用芯片（ ASIC）進(jìn)行邏輯設計。 ASIC ( Appilca- , tion Specific L ntegrated Circuit ）中有編程邏輯陣列 PL D ( Programrnable Logic Device ）。 PLD力現有四種類(lèi)型的器件： PROM 、 FPLA 、 PAL、 GAL 。 GAL是 PAL的第二代產(chǎn)品，它可以在線(xiàn)電擦洗，與TTL兼容，有較高的響應速度，有可編程的保密位等優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得 GAL在降低系統造價(jià)，減少產(chǎn)品體積和功耗，提高可靠性和穩定性及簡(jiǎn)化系統設計，增強應用的保密性方面有廠(chǎng)‘闊的發(fā)展產(chǎn)景，特別適合新產(chǎn)品研制及 DMA控制和高速圖表處理，其上述交流的控制最終用工業(yè)控制計算機完成。
6.結束語(yǔ)
眾所周知,電氣自動(dòng)化技術(shù)是當今世界最活躍、最充滿(mǎn)生機、最富有開(kāi)發(fā)前景的綜合性學(xué)科與眾多高新技術(shù)的合成。其應用范圍十分廣泛,幾乎滲透到國民經(jīng)濟各個(gè)部門(mén)，隨著(zhù)我國科技技術(shù)的發(fā)展，電氣自動(dòng)化技術(shù)也隨之提高。
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