電子技術(shù)在電氣控制中的應(yīng)用分析與發(fā)展

甘星，詹奕琨，徐詠康

南昌工程學(xué)院，江西南昌，330099

1 電子技術(shù)基本概念與發(fā)展特點

1.1 電子技術(shù)簡介

電子技術(shù)是指一門專門研究電子元件與元器件電路構(gòu)造和運用的科學(xué)技術(shù)，目前電子技術(shù)主要有信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)這兩大塊范疇。由于現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展,電力電子系統(tǒng)也逐步向自動化的方面發(fā)展。電力電子系統(tǒng)具有可靠性高、節(jié)能效果明顯等特點，目前電子信息技術(shù)已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)和電能輸送等領(lǐng)域，并發(fā)揮了巨大作用。在不斷發(fā)展和進步的過程中，電力電子技術(shù)和信息電子技術(shù)之間相輔相成、共同進步。信息電子技術(shù)領(lǐng)域可分割為數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)兩大部分，而電力電子技術(shù)是現(xiàn)在電力系統(tǒng)的基石。在電力電子技術(shù)方面，轉(zhuǎn)換的“電力”與電力系統(tǒng)中的“電”并不相同。雖然它們都有“電”這個詞，但是后者比較具體，特別是電力網(wǎng)的“電”，而前者的范圍更廣。簡單來說，就是將利用電力電子器件技術(shù)來改變和操作電能的技術(shù)稱為電子技術(shù)。

1.2 電子技術(shù)的發(fā)展歷程

19世紀末電子技術(shù)開始騰飛發(fā)展，在當(dāng)時迅速地成為一種新興技術(shù)并引起了重視。早在20世紀初，真空管被引入到通信和無線電領(lǐng)域中，電子技術(shù)便開始出現(xiàn)在電力領(lǐng)域，成為同類技術(shù)中的第一個。晶體管誕生于20世紀中葉，引發(fā)了電子學(xué)領(lǐng)域的電子技術(shù)革新。在20世紀下半葉，第一個用于電力領(lǐng)域的裝置是硅二極管。七十年代末，全控型器件開始出現(xiàn)。硅二極管是在晶體管發(fā)明的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其發(fā)明是電子技術(shù)發(fā)展歷史上的重大突破，對我國電力電子技術(shù)發(fā)展具有重要意義，推動電力技術(shù)發(fā)展再上新臺階。

20世紀80年代末，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）帶來了一場新的改變。IGBT將MOSFET與GTO的優(yōu)點結(jié)合在一起,在許多應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，一直到今天，這些技術(shù)都在不斷地發(fā)展和完善。一方面，由于負載的變化，會造成開關(guān)的頻繁切換；另一方面，傳輸過程中工作設(shè)備的損失也在迅速攀升。為了降低開關(guān)的損耗、延長開關(guān)的使用壽命，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生，開發(fā)了以零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)為基本形式的軟開關(guān)技術(shù)。

1.3 電子技術(shù)的特點與發(fā)展方向

電子技術(shù)的特征和發(fā)展方向有如下四個方面：①通過對大數(shù)據(jù)的精準分析，信息管理工程技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活的方方面面；②工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模非手工化工作將由機器人取代，同時機械工業(yè)的生產(chǎn)方式也發(fā)生了巨大的變化；③電子信息識別、智能信息抽取和傳輸；④通過信息化、智能化環(huán)境實現(xiàn)機械過程的自動控制。

2 電子技術(shù)與電氣控制的關(guān)系

2.1 電氣控制發(fā)展情況與面臨問題

近代物理學(xué)的快速發(fā)展，為我們提供了強大的理論基礎(chǔ)，在這一基礎(chǔ)上，我國的電控技術(shù)迅猛發(fā)展，應(yīng)用范圍更廣，到處都能發(fā)現(xiàn)此技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)然，技術(shù)在發(fā)展，人們對物質(zhì)生活的追求也更高，給電氣控制技術(shù)帶來了全新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)今，電氣控制技術(shù)不同于以前，以往電氣控制技術(shù)沒有電子技術(shù)的支持，應(yīng)用范圍窄，目前電氣控制技術(shù)和其他技術(shù)緊密聯(lián)系，比如電子技術(shù)、數(shù)字電子以及電子通信等。這使得電氣控制技術(shù)的應(yīng)用更加全面，跟各行各業(yè)都有著千絲萬縷的關(guān)系。隨著技術(shù)的不斷突破，電氣控制技術(shù)在應(yīng)用層面越來越穩(wěn)定，具有操作便捷、準確度高、節(jié)能環(huán)保和安全等特點，這些特點相結(jié)合，造就了現(xiàn)代電子控制技術(shù)得天獨厚的優(yōu)勢。通過應(yīng)用電氣控制技術(shù)，人們的生活和工作方式得以改善，變得更加舒適快捷，使我國電氣技術(shù)的應(yīng)用更加生活化，電氣控制與人們的日常生活也結(jié)合得越來越密切。

簡單來說，電氣控制技術(shù)是將技術(shù)應(yīng)用到實際的技術(shù)，目的是提高生產(chǎn)力。但在應(yīng)用過程中，有個突出問題，這關(guān)系到我國的信息安全和國民的人身安全，即加強該項技術(shù)的安全性至關(guān)重要、刻不容緩，同時電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和操作的復(fù)雜性也是問題之一，我們不僅要創(chuàng)新，使復(fù)雜操作簡單化、自動化，更要最大程度地保證技術(shù)應(yīng)用的安全。

2.2 電子技術(shù)在電氣控制中的作用優(yōu)勢

2.2.1 提高電力系統(tǒng)運行的安全性

電力系統(tǒng)也是一把雙刃劍，在給我們帶來便利的同時，也存在著安全隱患，系統(tǒng)若出現(xiàn)故障，就極有可能造成安全事故，進而危及財產(chǎn)安全以及人身安全，所以必須保證電力系統(tǒng)的安全性。基于這一背景，電力系統(tǒng)與電子技術(shù)的結(jié)合就能很好地解決這一問題，電子技術(shù)能夠代替人工，實現(xiàn)全天監(jiān)視電力系統(tǒng)的運行狀況，同時會根據(jù)標準判斷系統(tǒng)是否正常。若系統(tǒng)出現(xiàn)異常，會自動嘗試修復(fù)；若修復(fù)無果，則會關(guān)閉電力系統(tǒng)，避免安全事故的發(fā)生，并及時通知工作人員，對故障現(xiàn)場第一時間進行搶修。

2.2.2 拓寬電氣控制的發(fā)展領(lǐng)域

以往的電力系統(tǒng)無法做到與各個領(lǐng)域的技術(shù)結(jié)合、可拓性低，而現(xiàn)在，電子技術(shù)相當(dāng)于電力系統(tǒng)與其他先進技術(shù)之間的紐帶。將電力系統(tǒng)與先進技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對電子設(shè)備的控制，推進相關(guān)企業(yè)朝著更加安全、智能化的方向發(fā)展。

實現(xiàn)電力系統(tǒng)升級。目前，我們所使用的電力系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，整個系統(tǒng)中，不僅有電氣控制技術(shù)，還需與多個領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合，比如能源行業(yè)的技術(shù)，其操作復(fù)雜，電子技術(shù)能大大減少其中所要花費的時間，使復(fù)雜問題簡單化，使整體設(shè)計更加嚴格和實用，提高了系統(tǒng)的運行效率和電能的生產(chǎn)運輸質(zhì)量，尤其是現(xiàn)在的特高壓技術(shù)，人工操作風(fēng)險太高，沒有電子技術(shù)的支撐是絕對辦不到的。

3 電子技術(shù)在電氣控制中的一些常用應(yīng)用與問題

3.1 PWM控制技術(shù)

PWM控制技術(shù)是指對脈寬進行人工改變，也就是通過改變一連串的脈沖寬度來得到預(yù)期的波形。根據(jù)自動控制的原理，使用形狀各異但面積相等的脈沖，可以達到相同的效果。這個原理被稱為面積等效原理，是PWM技術(shù)對波形進行改變的基礎(chǔ)。

在逆變電路中的應(yīng)用是PWM在電氣控制中的一個重要方面，逆變電路在工業(yè)生產(chǎn)和電能輸送方面得到了廣泛和成功的應(yīng)用，其中PWM功不可沒。除了少數(shù)逆變器外，逆變電路大都由PWM控制，使得電力電子器件的選取變得容易，為人類的生活帶來了極大的便利。交直流變流電路中的斬控式電路和逆變器電路是PWM技術(shù)的主力軍，目前它們的應(yīng)用領(lǐng)域還有待探索，但變頻電路具有易集成化的優(yōu)點，長期發(fā)展前景很好。

3.2 軟開關(guān)技術(shù)

過去，在電子技術(shù)仍然采用硬開關(guān)技術(shù)情況下，經(jīng)常會出現(xiàn)開關(guān)噪聲、開關(guān)損耗這兩個棘手的問題。而開關(guān)頻率越高，噪聲和損耗就越大。因此，如果持續(xù)使用這種開關(guān)技術(shù)，隨著其頻率升高，噪聲和損耗會越大，開關(guān)的可使用時間下降，增加了開關(guān)的成本。于是軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運而生，有效地解決了這兩個問題。一方面，通過減小開關(guān)時的電流電壓消除了電壓和電流的重疊，把電流的變化控制在合理區(qū)間，從而大大降低或消除了開關(guān)電流損耗。另一方面，將開關(guān)諧振過程中的電壓電流控制在理想的范圍內(nèi)，解決了損耗和噪聲的問題。

3.3 電子技術(shù)應(yīng)用方面的共性問題

在電氣電子設(shè)備的串聯(lián)及并聯(lián)使用中，當(dāng)單個設(shè)備的電流或電壓達不到要求時，需要把單個的器件串聯(lián)或者并聯(lián)起來工作，或與單個設(shè)備串并聯(lián)。當(dāng)晶閘管電壓小于真實的需求，可將兩個或多個的同型器件連接起來；如果晶閘管的額定電壓大于真實的需求，則可以利用電容器來補償電流或電壓的不足。然而，由于一系列裝置的漏電電流是相同的，這就造成了靜態(tài)不均壓問題，靜態(tài)伏安特性的分散性表明，不同裝置之間的電壓是不同的。

4 電子技術(shù)在電氣控制中的一些發(fā)展方向與研究

4.1 柔性直流輸電技術(shù)

柔性直流輸電技術(shù)是基于電子技術(shù)器件的特點和優(yōu)勢而產(chǎn)生的新一代直流輸電技術(shù)。在電子技術(shù)器件IGBT、VSC等的發(fā)展進步下，應(yīng)用于電氣控制輸電方面對比以前有了極大的提高，其不僅輸送電壓高、輸送電量大、能夠降低或消除輸電過程中存在的故障，還能夠在緊急情況下迅速恢復(fù)供電，同時使電壓更穩(wěn)定，且雙極運輸無需接地。除此以外，柔性直流輸電技術(shù)還具有STATCOM的作用，其能使無功電流根據(jù)負荷中的電流迅速變化，從而有效地對電力網(wǎng)絡(luò)的無功功率實施動態(tài)無功的補償，與常規(guī)技術(shù)相比不需要使用無功補償設(shè)備來保持電壓的穩(wěn)定。

4.2 電子技術(shù)在電氣控制中的新能源領(lǐng)域應(yīng)用研究

伴隨著全球的高速發(fā)展，能源的消耗持續(xù)增加，能源問題已經(jīng)日益明顯，如何節(jié)約能源與開發(fā)新型能源技術(shù)已經(jīng)成為急需解決的問題。目前存在的新能源技術(shù)有太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電、生物發(fā)電等，各種技術(shù)發(fā)電都需進行不同的能量轉(zhuǎn)換才能最終變成能夠直接使用的電能，而在這一過程中的能量轉(zhuǎn)換、并網(wǎng)控制、發(fā)電機的控制和電力儲備等都需要使用電子技術(shù)。電子技術(shù)的優(yōu)點可使這些能量的轉(zhuǎn)換損耗大大降低，使轉(zhuǎn)換電流電壓更為穩(wěn)定，同時減少故障的發(fā)生，增強智能化、信息化的控制，進而促使新能源發(fā)電輸電技術(shù)的改善與提高，優(yōu)化電力能源的結(jié)構(gòu)。

4.3 基于電子技術(shù)原理在新型電力系統(tǒng)中的電氣控制應(yīng)用

新型電力系統(tǒng)是近年提出的以承載實現(xiàn)綠色發(fā)展的理念，形成以清潔低碳、安全可操控、靈活高效、智能友好、開放互動為特征的新型電力系統(tǒng)平臺。電子技術(shù)在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)平臺中起到了至關(guān)重要的作用，采用電力電子變壓器等電力電子技術(shù)裝備可提高電力系統(tǒng)的靈活性，新型電力系統(tǒng)中電力的產(chǎn)生、變換、輸送等控制過程將全面實現(xiàn)電力電子化，新型的電力電子變壓器具有基于模塊化拓撲結(jié)構(gòu)的智能冗余技術(shù)，碳化硅器件的低損耗高功率，集群在線效率尋優(yōu)技術(shù)和精準模塊化的人工智能技術(shù)等特點，可實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的各項技術(shù)要求。以可再生能源和電子技術(shù)設(shè)備為核心的新型電力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)主要體現(xiàn)在四個方面：一是發(fā)電的主體逐漸轉(zhuǎn)為新能源，二是實現(xiàn)新能源與各類負荷實現(xiàn)良好的能量轉(zhuǎn)換，三是終端用能的電氣化，四是電力系統(tǒng)運行的改革。而這四個方面都離不開電子技術(shù)的作用，可見電子技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的電氣控制部分有著十分重要的地位。

5 結(jié)語

隨著社會的日益進步與發(fā)展，人們對電能供應(yīng)的需求量也在日益增加，電力系統(tǒng)的負荷也在不斷地增加，而電子技術(shù)在電氣中的創(chuàng)新應(yīng)用優(yōu)化了電力系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小了電力系統(tǒng)的損耗，提高了供電效率。同時，研究人員也在不斷地對電力電子設(shè)備進行升級改良。但面對未來未知因數(shù)的挑戰(zhàn)，我們?nèi)圆荒芊潘尚傅?，時代在進步，所有的東西都在與時俱進，電力作為時代發(fā)展的有力支撐，更有必要走在發(fā)展的前列。每一位科技工作人員和研究人員都應(yīng)保持奮進向上、一絲不茍的工作態(tài)度，為人民、為社會、為國家貢獻出自己的一份力量！