淺析電氣自動化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝康

新鋼公司第一設(shè)備檢修廠

摘要：本文作者結(jié)合工作經(jīng)驗，針對全控型電力電子開關(guān)、變換器電路、交流調(diào)速控制、通用變頻器、單片機(jī)、集成電路及工業(yè)控制計算機(jī)的發(fā)展幾方面論述了電氣自動化在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電氣自動化；變換器；系統(tǒng)

0前言

電氣自動化專業(yè)在我國最早開設(shè)于5O年代，名稱為工業(yè)企業(yè)電氣自動化。雖經(jīng)歷了幾次重大的專業(yè)調(diào)整，但由于其專業(yè)面寬，適用性廠，一直到現(xiàn)在仍然煥發(fā)著勃勃生機(jī)。據(jù)教育部最新公布的本科專業(yè)設(shè)置目錄，它屬于工科電氣信息類。新名稱為電氣二程及其自動化或自動化。

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)溝迅猛發(fā)展，原有的電力傳動（電子拖動）控制的概念已經(jīng)不能充分概抓現(xiàn)代生產(chǎn)自動化系流中承擔(dān)第一線任務(wù)的全部控制設(shè)備。而且，電力拖動控制已經(jīng)走出工廠，在交通、農(nóng)場、辦公室以及家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛運用。它的研究對象已經(jīng)發(fā)展為運動控制系統(tǒng)，下面僅對有關(guān)電氣自動化技術(shù)的新發(fā)展作一些介紹。

1全控型電力電子開關(guān)逐步取代半控型晶閘管

5O年代末出現(xiàn)的晶閘管標(biāo)志著運動控制的新紀(jì)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/電壓定額和開關(guān)時間的不同，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)受各項參數(shù)影響而變化和熱容量小、過流能力低等問題，使得人們把主要精力放在根據(jù)不同的特性設(shè)計出合適的保護(hù)電路和驅(qū)動電路上，這也使得電路比較復(fù)雜，難以掌握。

GT0是一種用門極可關(guān)斷的高壓器件，它的主要缺點是關(guān)斷增益低，一般為4～5，這就需要一個十分龐大的關(guān)斷驅(qū)動電路，且它的通態(tài)壓降比普通晶閘管高，約為2～4.5V，開通di/dt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/u s，后者約為500V/u s，這就需要一個龐大的吸收電路。

由于GTR、GT0 等雙極性全控性器件必須要有較大的控制電流，因而使門極控制電路非常龐大，從而促進(jìn)廠新一代具有高輸入阻抗的M0S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)動器件，基本上不要求穩(wěn)定的驅(qū)動電流，驅(qū)動電路只需要在器件開通時提供容性充電電流，而關(guān)斷時提供放電電流即可，因此驅(qū)動電路很簡單。它的開關(guān)時間很快，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)斷存儲時間和電流I、降時間為別為O.2～O.4 u s和O.2～1.5 s，因而有較高的工作頻率，它具有寬而穩(wěn)定的安個工作區(qū)，較高的效率，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。

M0S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M0S門來控制品閘管的開通和關(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關(guān)頻率，且其關(guān)斷增益極高。

lGBT和MGT這一類復(fù)合型電力電子器件可以稱為第三代器件。在器件的復(fù)合化的同時，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，Integrated Circute），在PIC中，不僅主回路的器件，而月驅(qū)動電路、過壓過流保護(hù)、電流檢測甚至溫度自動控制等作用都集成到一起，形成一個整體，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，直流傳功的變換器主要是相控整流，而交流變頻動則是交一直一交變頻器。當(dāng)電力電子器件人第二代后，更多早采用PW M 變換器了、采用PW M 方式后，提高了功率因數(shù)，減少了高次諧波對電網(wǎng)的影響，解決了電動機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題。

但是PW M 逆變器中的電壓、電流的諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動作用在定轉(zhuǎn)子上，使電機(jī)繞組產(chǎn)生振動而發(fā)出噪聲。為了解決這個問題，一種方法是提高開關(guān)頻率，使之超過人耳能感受的范圍，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，開關(guān)損耗很大。開關(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(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“硬開關(guān)“，其開關(guān)損耗較大，限制了開關(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“軟開關(guān)”狀態(tài)下，從而使開關(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(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機(jī)的控制方式，把定子電流的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量解禍開來，分別加以控制。這種解藕，實際上是把異步電動機(jī)的物理模型設(shè)法等效地變換成類似于直流電動機(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)子回路時間常數(shù)的影響。加上矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難于達(dá)到分析的結(jié)果。

大致來說，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)系下分析計算與控制電流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)（Band—Band控制）產(chǎn)生PwM 信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動數(shù)學(xué)模型的簡化處理，大大減少了矢量控制中控制性能參數(shù)易受參數(shù)變化影響的問題，沒有通常的PW M 信號發(fā)生器，其控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理物理概念明確，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，限制在一拍之內(nèi)，且無超調(diào)，是一種具有高靜動態(tài)性能的新型交流調(diào)速方法。

4 通用變頻器開始大量投入實用

一般把系列化、批員化、占市場量最大的中小功率如400KVA以下的變頻器稱為通用變頻器。從產(chǎn)品來看，第一代是普通功能型U/F控制型，多彩用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(zhuǎn)差補償器和電流限制拄制器. 具有挖上機(jī)和“無跳閘”能力，也稱為“無跳閘變頻器”。這類變頻器目前占市場份額最大、第三代為高動態(tài)性能矢量控制型。它采用全數(shù)字控制，可通過軟件實現(xiàn)參數(shù)自動設(shè)定，實現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制，可選擇U/F左頻率開環(huán)控制、無速度傳感器矢幼控制和有速度傳感器矢量控制，實現(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GT0、GTR、IGBT，但以后兩種為主，尤以IGBT為發(fā)展趨勢：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)控制動技術(shù)而得以提高。

5 單片機(jī)、集成電路及工業(yè)控制計算機(jī)的發(fā)展

以MCS一51代表的8位機(jī)雖然仍占主導(dǎo)地位 但功能簡單，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GM$97C（二系列單片機(jī)等正在推廣，而且單片機(jī)的應(yīng)用范圍已開始擴(kuò)展至智能儀器儀表或不太復(fù)雜的工業(yè)控制場合以充分發(fā)揮單片機(jī)的優(yōu)勢另外，單片機(jī)的開發(fā)手段也更加豐富，除用匯編語言外，更多地是采用模塊化的C語言、PL/M 語言。

在集成電路方面，需要重點說明的是集成模擬乘法器和集成鎖相環(huán)路及集成時基電路在自動控制系統(tǒng)中運用很廣。在電機(jī)控制方面，還有專用于產(chǎn)生PWM 控制信號的HEF4752、TL494、SLE4520和MA81 8等應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。

在邏輯電路方面，值得注意的是用專用芯片（ASIC）進(jìn)行邏輯設(shè)計。ASIC（Appilca—tion Specificl，Int egrated Circuit中有編程邏輯陣列PLD（Programmable Logic Device o PLD現(xiàn)有四種類型的器件：PR0M、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，有較高的響應(yīng)速度，有可編程的保密位等優(yōu)點。這些特點使得GAL在降低系統(tǒng)造價，減少產(chǎn)品體積和功耗，提高可靠性和穩(wěn)定性及簡化系統(tǒng)設(shè)計，增強應(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)控制計算機(jī)完成。

6 結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，原有的電力傳動（電子拖動）控制的概念已經(jīng)不能充分概抓現(xiàn)代生產(chǎn)自動化系流中承擔(dān)第一線任務(wù)的全部控制設(shè)備。而且，電力拖動控制已經(jīng)走出工廠，在交通、農(nóng)場、辦公室以及家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛運用。它的研究對象已經(jīng)發(fā)展為運動控制系統(tǒng)，僅對有關(guān)電氣自動化技術(shù)的新發(fā)展作一些介紹。