電氣自動(dòng)化技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用

王磊

摘 要：電氣自動(dòng)化技術(shù)是當(dāng)今世界最活躍、最充滿生機(jī)、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(yīng)用范圍十分廣泛，幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)，隨著我國(guó)科技技術(shù)的發(fā)展，電氣自動(dòng)化技術(shù)也隨之提高。

關(guān)鍵詞：電力工程；電氣自動(dòng)化；自動(dòng)化技術(shù)

1 前言

我國(guó)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)最早開(kāi)設(shè)于50年代，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(jù)教育部門(mén)最新公布的本科專(zhuān)業(yè)設(shè)置目錄中，它屬于工科電氣信息類(lèi)。本文中主要針對(duì)這類(lèi)電氣自動(dòng)化技術(shù)的一些發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

2 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(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―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(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Zv～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/us，后者約為500V/us，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)廠新一代具有高輸人阻抗的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1.5V～3.5v，比P-MOSFET小得多，其關(guān)斷存儲(chǔ)時(shí)間和電流卜降時(shí)間為別為0.2us一04us和0.2us～1.5us，因而有較高的工作頻率，它具有寬而穩(wěn)定的安個(gè)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。

3 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)，直流傳功的變換器主要是相控整流，而交流變頻傳動(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，更多是采用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)電岡的影響，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。

4 交流調(diào)速控制理論日漸成熟

1971年，德國(guó)學(xué)者F，Blaschke發(fā)表論文闡明了交流電機(jī)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(chǔ)。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(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。1985年德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著1987年又把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。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一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。

5 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.具有挖土機(jī)和“無(wú)跳閘”能力，也稱為“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(xiàn)了閉環(huán)控制的自優(yōu)化。從技術(shù)發(fā)展看，雖然電力半導(dǎo)體器件有GTO、GTI、IGBT，但以后兩種為主，尤以IGBT為發(fā)展趨勢(shì)：變頻器的可靠性、可維修性、可操作性即所謂的RAs（Availability，Serviceability）功能也由于采用單片機(jī)控制動(dòng)技術(shù)而得以提高。

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