電力電子技術(shù)在電子控制中的應(yīng)用探索

張洪艷

朝陽工程技術(shù)學(xué)校 遼寧 朝陽122000

引言

電力電子技術(shù)的核心應(yīng)用思路在于,使用電力電子器件(電力二極管、晶閘管、電力晶體管、GTO、IGBT 等)實現(xiàn)對電能的變換與控制。經(jīng)過電力電子電路變換后的“電能”,其功率可達(dá)MW或GW級,也可以縮小至W以下。通常來說,單一的電子技術(shù)主要以信號處理為主。電力電子技術(shù)更多地用于電力變換及電子、電氣控制等方面。美國科學(xué)家W·Newell將該技術(shù)定義為:電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論的交叉融合科學(xué)。

1 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程綜述

1.1 電力電子技術(shù)的主要作用 “電力電子學(xué)”作為一個專有名詞,產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代。在發(fā)展的初期,人們對該詞匯的認(rèn)識較為模糊,缺乏清晰的定義。直到1974年,美國科學(xué)家W·Newell引入如圖1所示的倒三角框架,對電力電子學(xué)進(jìn)行了概括性的描述,即該學(xué)科由電子學(xué)、電力學(xué)、控制理論學(xué)科交叉衍生而來,具備三門傳統(tǒng)學(xué)科各自的特性,該技術(shù)在生產(chǎn)生活中能夠發(fā)揮如下作用:

圖1 電力電子技術(shù)與其他學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)

(1)優(yōu)化并改良電能的輸送及使用過程。電力電子技術(shù)的核心是控制和轉(zhuǎn)換電能,引導(dǎo)其合理、高效地投入使用,避免中間環(huán)節(jié)的能量損失,進(jìn)而實現(xiàn)電能的最佳利用。在輕工業(yè)造紙、軋機(jī)冶煉、化工、感應(yīng)加熱、電解等行業(yè)中應(yīng)用該技術(shù),節(jié)能幅度最低值可達(dá)10%;經(jīng)過系統(tǒng)性設(shè)計后,最高值可超過40%。

(2)改造傳統(tǒng)電力行業(yè),實現(xiàn)機(jī)電一體化,智能化。根據(jù)我國相關(guān)部門發(fā)布的權(quán)威統(tǒng)計結(jié)果,在未來,發(fā)電廠生產(chǎn)的95%以上占比的電能,必須經(jīng)過電力電子技術(shù)的處理后,方可投入使用。此舉意味著人們?nèi)粘Ｉ钪信c用電有關(guān)的事項,幾乎無法脫離電力電子技術(shù)。因此,探索以弱電控制強(qiáng)電的有效方式,實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備與計算機(jī)之間的有效互聯(lián),并為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)之間利用微電子銜接技術(shù)創(chuàng)造足夠的條件。

(3)在高頻化及變頻化的發(fā)展過程中,機(jī)電設(shè)備傳統(tǒng)的工頻限制范圍必將得到突破;制約工作效率提升的諸多頑疾均會得到解決。大型機(jī)電設(shè)備的體積會按照數(shù)倍、數(shù)十倍的量級逐漸縮小;接收控制信號后,響應(yīng)速度得到極大地提升。在這種控制運(yùn)轉(zhuǎn)體系之下,基于微端控制器,即可實現(xiàn)針對“大型”機(jī)電設(shè)備的控制,并有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1.2 電力電子技術(shù)未來的發(fā)展趨勢 在不久的將來,電力電子技術(shù)必然向智能數(shù)字化深度發(fā)展,并在一定程度上使信息處理與功率處理統(tǒng)一,真正實現(xiàn)微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)的深度融合。目前,部分業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)提出,電力電子技術(shù)的發(fā)展,會在世界范圍內(nèi)引發(fā)傳統(tǒng)電子技術(shù)的重大變革;電子控制具有準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定等優(yōu)勢,引入單片機(jī)以及各種計算機(jī)技術(shù),也提升了電子控制系統(tǒng)的智能化水平,同時利用無線電遙控操作,還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,降低安全風(fēng)險。

2 電力電子技術(shù)在電子控制中的應(yīng)用探析

2.1 軟開關(guān)技術(shù) 軟開關(guān)是指基于軟開關(guān)技術(shù),開關(guān)相應(yīng)功能的過程。在理想狀態(tài)下,軟開關(guān)的實現(xiàn)過程為:①電流或電壓等參數(shù)首先降為“零”;②電流或電壓緩緩上升至斷態(tài)值。在此過程中,開關(guān)的損耗無限接近于零,即可延長電氣系統(tǒng)的使用壽命。此外,運(yùn)用軟開關(guān)有助于促進(jìn)功率變換器件的高頻化。實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù),必須借助電力電子技術(shù),其作用原理為:①開關(guān)過程前后,分別引入諧振;②開關(guān)閉合前,電壓首先降低至“零”;此時,電路處于“斷開連接”的狀態(tài),故電流可視為“零”,或?qū)⒄麄€過程視為“將電流降低為零”;經(jīng)過該操作后,開關(guān)閉合過程中電壓、電流的“重疊”均會消失,進(jìn)而引發(fā)變化率降低,最終使開關(guān)的損耗無限歸于零。此外,諧振期間,電壓及電流的變化率也受到了極大的限制,故開關(guān)過程產(chǎn)生的所有噪聲也會顯著減小[1]。例如,在跟蹤控制中,把預(yù)期設(shè)計的電壓和電流輸出波形充當(dāng)基礎(chǔ)的命令信號,同時把實際電壓和電流波形當(dāng)成一種反饋信號,通過比較分析兩者瞬時值,完成逆變電路不同功率開關(guān)器件開、關(guān)的控制工作,有效改變了實際跟蹤信號指令的輸出變化。

作為電力電子領(lǐng)域的代表技術(shù),軟開關(guān)實際應(yīng)用于電子控制的過程可參照智能照明回路的設(shè)置。一盞燈,其開啟時,并非啟動開關(guān)瞬間燈瞬時“點亮”,而是經(jīng)過由“不亮”到“微亮”,再到“全亮”的緩慢過程;與之相對應(yīng)的是,關(guān)燈的過程極其迅速,開關(guān)斷開的一瞬間,燈管光亮瞬間消失。此種現(xiàn)象也體現(xiàn)在家用電器中。比如傳統(tǒng)的電視機(jī)、PC個人計算機(jī),按動開關(guān)的一瞬間,人們總會聽到明顯的震動聲音,似乎開關(guān)的閉合與汽車啟動時的“打火”較為類似。實質(zhì)上,由于缺乏電力電子技術(shù)的緩沖,傳統(tǒng)的電視機(jī)等設(shè)備,在啟動及關(guān)閉的一瞬間,不僅消耗大量的電能,還會導(dǎo)致系統(tǒng)受到嚴(yán)重的震蕩。因此,傳統(tǒng)設(shè)備的使用壽命普遍較低。電力電子技術(shù)中由電容、電感、二極管、GTR等元件構(gòu)成的緩沖電路,抑制電流和電壓的突變,改變器件的開關(guān)軌跡,把開關(guān)損耗從器件內(nèi)部轉(zhuǎn)移到緩沖電路中去,然后再消耗到緩沖電路的電阻上,保證電路中的元器件安全運(yùn)行。

2.2 基于模擬信號控制的PWM 技術(shù)PWM 技術(shù)是一種針對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方式。通過運(yùn)用高分辨率計數(shù)器,使得方波的占空比被用于“調(diào)制”作用,進(jìn)而對一個具體的模擬信號電平進(jìn)行編碼。實質(zhì)上,PWM 技術(shù)是利用微處理器的數(shù)字輸出過程,對模擬電路進(jìn)行控制,其原理十分貼合電力電子技術(shù)中的“控制”與“轉(zhuǎn)換”。在交通指示燈控制系統(tǒng)中,路口停車線前埋設(shè)相應(yīng)的環(huán)形感應(yīng)器,感應(yīng)器便可以把上方車輛通過所形成的數(shù)據(jù)順利傳輸至交通信號控制系統(tǒng),隨后控制系統(tǒng)便可依據(jù)交叉路口的車輛通行狀況,對紅綠燈切換進(jìn)行合理操控。

該技術(shù)的主要優(yōu)點在于:①無論是處理器,還是被控系統(tǒng)的信號,均以數(shù)字形式呈現(xiàn)。在進(jìn)行數(shù)字信號與模擬信號的轉(zhuǎn)換時,噪聲的影響幾乎不存在(例如某些智能設(shè)備,噪聲消除的根本原因雖然得益于硬件設(shè)備的提升,但噪聲的來源并非設(shè)備運(yùn)行期間的磨損,而是信號以何種形式呈現(xiàn))。從理論上來看,如果噪聲的強(qiáng)度達(dá)到將數(shù)字信號中設(shè)定的邏輯值“1”改變?yōu)檫壿嫛?”,則數(shù)字信號的傳輸質(zhì)量必然受到影響。但在現(xiàn)有的技術(shù)水平下,該現(xiàn)象不可能出現(xiàn)。②PWM 技術(shù)應(yīng)用于電子通信控制時,在模擬信號轉(zhuǎn)向PWM 信號的過程中,能夠大幅度地延長通信距離,使得噪聲產(chǎn)生的實際干擾力極低。到了接收端,只需借助LC或RC網(wǎng)絡(luò),過濾掉調(diào)制的高頻方波,即可還原信號,解析其中蘊(yùn)含的信息。由此可見,PWM的高效率變頻功能,幾乎實現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電之間的“無障礙銜接”,且因PWM 能夠同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點,該技術(shù)在交流傳動以及其他能連變換系統(tǒng)中,均能發(fā)揮較大的作用[2]。

2.3 電力電子技術(shù)在電路保護(hù)裝置中的應(yīng)用 電氣系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中,如果某一元件出現(xiàn)了故障,很可能造成電路短路,進(jìn)一步擴(kuò)大不良影響。常規(guī)的電子控制方式,在電路中設(shè)置基于傳感器的應(yīng)急報警處理機(jī)制,一方面,將相關(guān)信息傳遞至計算機(jī)總控端;另一方面,立刻啟動熔斷器、直流快速斷路器等設(shè)備,將故障區(qū)域從系統(tǒng)整體中“摘除”。此種方式應(yīng)用于傳統(tǒng)的大型機(jī)電系統(tǒng)時,能夠取得極佳的效果。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,如前文所述,機(jī)電設(shè)備的體積會呈幾何倍數(shù)縮減,功能及功率卻在不斷提升。因此,要解決這一問題,就要設(shè)計更加有效的保護(hù)電路,驅(qū)動電子控制信號,完成對電路的深層保護(hù)。如圖2所示,為“橋臂互鎖”式電路保護(hù)裝置構(gòu)件示意圖。一旦電路中出現(xiàn)信號反復(fù)、傳輸延時等問題時,橋式逆變電路會自動啟動“橋臂短路”功能,其作用原理在于,在“不切斷故障區(qū)域”的情況下,完成對異常信號的清除,并利用“互鎖”的方式,連接橋臂,達(dá)到不傷害電路元器件的目的,并有效的防止短路現(xiàn)象。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用范疇內(nèi),電能得以轉(zhuǎn)化和控制。如在電子技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)中,三極管、二極管、電容、電感、電阻、等電子元器件構(gòu)成的集成電路,各個元件通過彼此依賴、互相作用,共同構(gòu)成一種有機(jī)整體,最終實現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)。

圖2 基于PWM 技術(shù)的“橋臂互鎖”式電路保護(hù)裝置構(gòu)建示意圖

結(jié)論

基于電子控制理論的分析,以弱電控制強(qiáng)電,在電力電子技術(shù)的應(yīng)用范疇之內(nèi),電能可以得到定性和定量的轉(zhuǎn)化及控制,故“電子”與“電力”之間的區(qū)分正在逐漸朝向“模糊化”發(fā)展。盡管如此,不同的技術(shù)在具體應(yīng)用時,仍然需要遵守各自的“規(guī)律”,探索電力電子技術(shù)在電子控制領(lǐng)域更多的應(yīng)用方式,才能從根本上解決應(yīng)用過程存在的問題。