摘  要: 電力電氣的自動(dòng)化程度是一個(gè)國(guó)家電力電子行業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要核心，它是整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不可缺少的技術(shù)方法。本文主要針對(duì)電氣自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

 

　　關(guān)鍵詞: 電氣自動(dòng)化；電力系統(tǒng)；方向發(fā)展

 

　　Abstract: Electric power automation is an important core of a national power electronic industry development level, it is also the indispensable technical method of the whole social economy. This paper mainly explores the development tendency of the electrical automation.

 

　　Key words: electrical automation; power system; development direction

 

　　中圖分類(lèi)號(hào): S24　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A　文章編號(hào)：2095-2104（2012）

 

　　1  變換器電路從低頻向高頻方向發(fā)展

 

　　隨著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(yīng)用普通晶閘管時(shí),直流傳動(dòng)的變換器主要是相控整流,而交流變頻動(dòng)則是交一直一交變頻器。當(dāng)電力電子器件進(jìn)入第二代后,更多早采用PWM變換器了、采用PWM方式后,提高了功率因數(shù),減少了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響,解決了電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)作用在定轉(zhuǎn)子上,使電機(jī)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(dǎo)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(guó)威斯康星大學(xué)Divan教授提出諧振式直流環(huán)逆變器。傳統(tǒng)的逆變器是掛在穩(wěn)定的直流母線上,電力電子器件是在高電壓下進(jìn)行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

 

　　2  交流調(diào)速控制理論日漸成熟

 

　　矢量控制的基本思想是仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式,把定子電流的磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量解禍開(kāi)來(lái),分別加以控制。這種解藕,實(shí)際上是把異步電動(dòng)機(jī)的物理模型設(shè)法等效地變換成類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)的模式,這種等效變換是借助于坐標(biāo)變換完成的。它需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈的方向,且其性能易受轉(zhuǎn)子參數(shù),特別是轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)的影響。加上矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性,使得實(shí)際的控制效果難于達(dá)到分析的結(jié)果。

 

　　大致來(lái)說(shuō),直接轉(zhuǎn)矩控制,用空間矢量的分析方法,直接在定子坐標(biāo)系下分析計(jì)算與控制電流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場(chǎng)定向,借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Band-Band控制)產(chǎn)生PwM信號(hào),直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制,以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動(dòng)數(shù)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(shù)易受參數(shù)變化影響的問(wèn)題,沒(méi)有通常的PWM信號(hào)發(fā)生器,其控制思想新穎,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制手段直接,信號(hào)處理物理概念明確,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速,限制在一拍之內(nèi),且無(wú)超調(diào),是一種具有高靜動(dòng)態(tài)性能的新型交流調(diào)速方法。

 

　　3  通用變頻器開(kāi)始大量投入實(shí)用

 

　　一般把系列化、批員化、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(bǔ)償器、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器和電流限制拄制器.具有挖上機(jī)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(shù)字控制,可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)設(shè)定,實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制,可選擇U/F左頻率開(kāi)環(huán)控制、無(wú)速度傳感器矢幼控制和有速度傳感器矢量控制,實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制的自優(yōu)化。從技術(shù)發(fā)展看,電力半導(dǎo)體器件有GTO、GTR、IGBT,但以后兩種為主,尤以IGBT為發(fā)展趨勢(shì):支頻器的可靠性、可維修性、可操作性即所謂的RAS(Reliabiliry,Availability,Servicebility)功能也由于采用單片機(jī)控制動(dòng)技術(shù)而得以提高。

 

　　4  電力電子開(kāi)關(guān)逐步取代半控型晶閘管

 

　　50年代末出現(xiàn)的晶閘管標(biāo)志著運(yùn)動(dòng)控制的新紀(jì)元。它是第一代電子電力器件,在我國(guó)至今仍廣泛用于直流和交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著交流變頻技術(shù)的興起,相繼出現(xiàn)了全控式器件---GTR、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(yīng)用范圍。

 

　　GTR的二次擊穿現(xiàn)象以及其安全工作區(qū)受各項(xiàng)參數(shù)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(jù)不同的特性設(shè)計(jì)出合適的保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路上,這也使得電路比較復(fù)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(qū)動(dòng)電路,且它的通態(tài)壓降比普通晶閘管高,約為2～4.5V,開(kāi)通di/dt和關(guān)斷dv/dt也是限制GTO推廣運(yùn)用的另一原因,前者約為500A/μs,后者約為500V/μs,這就需要一個(gè)龐大的吸收電路。由于GTR、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)新一代具有高輸入阻抗的MOS結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件的一切。功率MOSFET是一種電壓驅(qū)動(dòng)器件,基本上不要求穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流,驅(qū)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(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單。它的開(kāi)關(guān)時(shí)間很快,安全工作區(qū)十分穩(wěn)定,但是P-MOSFET的通態(tài)電壓降隨著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(chǔ)上的產(chǎn)物,它兼有MOSFET高輸入阻抗、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1.5～3.5V,比P-MOSFET小得多,其關(guān)斷存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間為別為0.2～0.4μs和0.2～1.5μs,因而有較高的工作頻率,它具有寬而穩(wěn)定的安全工作區(qū),較高的效率,驅(qū)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(nèi)集成了MOSFET的品閘管,利用MOS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(yuǎn)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(fù)合型電力電子器件可以稱(chēng)為第三代器件。在器件的復(fù)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(guī)模生產(chǎn)的器件也已進(jìn)入實(shí)用。在模塊化和復(fù)合化思路的基礎(chǔ)上,其發(fā)展便是功率集成電路，PIC(Power,lntegratedCircute),在PIC中,不僅主回路的器件,而月驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、電流檢測(cè)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。

 

　　5  單片機(jī)、集成電路及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的發(fā)展

 

　　以MCS-51代表的8位機(jī)雖然仍占主導(dǎo)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(jī)及GMS97C(二系列單片機(jī)等正在推廣,而且單片機(jī)的應(yīng)用范圍已開(kāi)始擴(kuò)展至智能儀器儀表或不太復(fù)雜的工業(yè)控制場(chǎng)合以充分發(fā)揮單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)另外,單片機(jī)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C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(tǒng)中運(yùn)用很廣。在電機(jī)控制方面,還有專(zhuān)用于產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的HEF4752、TL494、SLE4520和MA818等應(yīng)用也相當(dāng)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(shè)計(jì)。ASIC(Appilca-tionSpecificl,IntegratedCircuit中有編程邏輯陣列PLD(ProgrammableLogicDevice)。PLD現(xiàn)有四種類(lèi)型的器件:PROM、FPLA、PAL、GAL。GAL是PAL了的第二代產(chǎn)品,它可以在線電擦洗,與TTL兼容,有較高的響速度,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(tǒng)造價(jià),減少產(chǎn)品體積和功耗,提高可靠性和穩(wěn)定性及簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),增強(qiáng)應(yīng)用的保密性方面有廣闊的發(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(jì)算機(jī)完成。