主頁(yè) > 技術(shù)文章 > 對(duì)電力系統(tǒng)中電氣自動(dòng)化的探討 2024-10-07

對(duì)電力系統(tǒng)中電氣自動(dòng)化的探討

摘要：本文作者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)全控型電力電子開(kāi)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(jì)算機(jī)的發(fā)展幾方面論述了電氣自動(dòng)化在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。
前言：
　　電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)在我國(guó)最早開(kāi)設(shè)于5O年代，名稱(chēng)為工業(yè)企業(yè)電氣自動(dòng)化。雖經(jīng)歷了幾次重大的專(zhuān)業(yè)調(diào)整，但由于其專(zhuān)業(yè)面寬，適用性廠(chǎng)，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(zhuān)業(yè)設(shè)置目錄，它屬于工科電氣信息類(lèi)。新名稱(chēng)為電氣二程及其自動(dòng)化或自動(dòng)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(dòng)(電子拖動(dòng))控制的概念已經(jīng)不能充分概抓現(xiàn)代生產(chǎn)自動(dòng)化系流中承擔(dān)第一線(xiàn)任務(wù)的全部控制設(shè)備。而且，電力拖動(dòng)控制已經(jīng)走出工廠(chǎng)，在交通、農(nóng)場(chǎng)、辦公室以及家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛運(yùn)用。它的研究對(duì)象已經(jīng)發(fā)展為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，下面僅對(duì)有關(guān)電氣自動(dòng)化技術(shù)的新發(fā)展作一些介紹。
1、全控型電力電子開(kāi)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(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。
　　 GT0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／u s，后者約為500V／u s，這就需要一個(gè)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(mén)極控制電路非常龐大，從而促進(jìn)廠(chǎng)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(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I、降時(shí)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(gè)工作區(qū)，較高的效率，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
　　 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(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。
　　 lGBT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， Integrated Circute)，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。
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(shí)，直流傳功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(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(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(xiàn)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。
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(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PW M 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。
4、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(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)控制的自動(dòng)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(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。
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一51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(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(zhuān)用芯片(ASIC)進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。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(lèi)型的器件：PR0M、FPLA、PAL、GAL。GAL是PAL了的第二代產(chǎn)品，它可以在線(xiàn)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(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。
　　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(dòng)(電子拖動(dòng))控制的概念已經(jīng)不能充分概抓現(xiàn)代生產(chǎn)自動(dòng)化系流中承擔(dān)第一線(xiàn)任務(wù)的全部控制設(shè)備。而且，電力拖動(dòng)控制已經(jīng)走出工廠(chǎng)，在交通、農(nóng)場(chǎng)、辦公室以及家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛運(yùn)用。它的研究對(duì)象已經(jīng)發(fā)展為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，僅對(duì)有關(guān)電氣自動(dòng)化技術(shù)的新發(fā)展作一些介紹。

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