楊達(dá)志

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江吳川供電局)

摘要: 電力電氣生產(chǎn)的自動(dòng)化可以有效提高電力氣企業(yè)的管理水平和生產(chǎn)效率，同時(shí)，還能有效提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，也使得人們的生產(chǎn)條件得到改善，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低成本，是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。電力電氣的自動(dòng)化發(fā)展程度也是衡量一個(gè)國(guó)家電力電子行業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)，這也是微電子技術(shù)推動(dòng)下的信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，本文就自動(dòng)化發(fā)展中用到的電力電氣自動(dòng)化元件技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析。具體分析了全控型電力電子開(kāi)關(guān)、高頻變換器、通用變頻器、單片機(jī)、集成電路還有工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的發(fā)展變化，從中展示了自動(dòng)化元件技術(shù)的運(yùn)用發(fā)展細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞: 電力電氣;元件;自動(dòng)化

電力電氣自動(dòng)化元件的技術(shù)運(yùn)用是近年來(lái)發(fā)電企業(yè)熱議的課題。電力企業(yè)采用的自動(dòng)化控制技術(shù)及產(chǎn)品越先進(jìn)，其自動(dòng)化運(yùn)行和管理水平就越高。這也是適應(yīng)信息化技術(shù)的發(fā)展及電力市場(chǎng)推進(jìn)的需要的良好措施，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的可靠保證。電力電氣的自動(dòng)化發(fā)展程度也是衡量一個(gè)國(guó)家電力電子行業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)，是整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的技術(shù)助力。

電力傳動(dòng)控制也即電子拖動(dòng)控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的前身，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，這種控制系統(tǒng)越發(fā)顯得笨拙，而新型的電氣自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，較上一代，控制能力更強(qiáng)，效率更高。下面，就對(duì)其中的自動(dòng)化元件技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行一些分析。

一、全控型電力電子開(kāi)關(guān)

我國(guó)的直流和交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)至今仍廣泛用到晶閘管，這是第一代的電力電子開(kāi)關(guān)控制器件。但是，近年來(lái)隨著交流變頻技術(shù)的興起，全控式器件如電力晶體管(GTR)可關(guān)斷晶閘管GTO、p-MOSEFT等逐漸出現(xiàn)，大有取代之勢(shì)。他們被稱(chēng)為是第二代電力電子器件。也由于目前所生產(chǎn)的電流/電壓定額和開(kāi)關(guān)時(shí)間的不同，這類(lèi)器件中不同種類(lèi)的各有其應(yīng)用范圍。

下面逐例介紹:

1.電力晶體管(GTR)，具有耐高壓、電流大、開(kāi)關(guān)特性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，使用這種電子器件還必須注意它的二次擊穿現(xiàn)象、其工作區(qū)易受各項(xiàng)參數(shù)的影響而變化，熱容量小、過(guò)流能力低等特性。具體的使用時(shí)，人們需根據(jù)不同的特性設(shè)計(jì)合適的保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，這樣一來(lái)，驅(qū)動(dòng)電路就比較復(fù)雜而難以掌握。

2.可關(guān)閘管GTO，主要特點(diǎn)是，當(dāng)門(mén)極加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)的時(shí)候，晶閘管能自行關(guān)斷。其容量及使用壽命都超過(guò)了電力晶體管(GTR)，只是在工作頻率上低于GTR，廣泛應(yīng)用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域。但是，其主要缺點(diǎn)是關(guān)斷增益低，通常為4.5，這就要求在使用中配置一個(gè)十分龐大的關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路。可關(guān)斷晶閘管的通態(tài)壓降比普通晶閘管高，約為24.5V其較高開(kāi)通電流變化率和關(guān)斷電壓變化要求在使用過(guò)程中配備一個(gè)龐大的吸收電路，這在一定程度上限制了可關(guān)斷晶閘門(mén)(GTO)的推廣運(yùn)用。

3.P-MOSEFT-是一種電壓驅(qū)動(dòng)器件，在使用上不要求穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，能在器件開(kāi)通時(shí)提供充電電流，關(guān)斷時(shí)提供放電電流即可滿(mǎn)足使用。它的開(kāi)關(guān)頻率很快，工作區(qū)很穩(wěn)定。主要缺點(diǎn)是，在使用過(guò)程中不得不考慮其通態(tài)壓降會(huì)隨著額定電壓的增加而成倍加大造成的困擾。

4.IGBT和MGT是復(fù)合型的電力電子器件，也被稱(chēng)為第三代器件。其中IGBT是兼有 MOSFET高輸入阻抗、高速特性與GTR的大電流密度特性的混合器件，開(kāi)關(guān)速度也介于兩者之間，通態(tài)電壓降也與GTR相似，而比P-MOSFET-小得多，具有較高的工作頻率，驅(qū)動(dòng)電路也簡(jiǎn)單。MGT晶閘管的單胞內(nèi)集成了MOSFET，其開(kāi)關(guān)利用MOS門(mén)來(lái)控制完成，具有晶閘管的低通態(tài)電壓降，且工作時(shí)的電流密度高于IGBT和GTR，關(guān)斷增益極高，理論上用于制成幾千伏的阻斷電壓和幾十赫茲的開(kāi)關(guān)頻率。第三代器件秉承了模塊化和集成化的思想，沿此思想發(fā)展下去，便是功率集成電路(PIC)，將驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)壓電流保護(hù)、電流檢測(cè)等作用集成到一起，形成具有更多優(yōu)勢(shì)的全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件。

二、高頻變換器電路的運(yùn)用

當(dāng)電力電子器件更新到第二代，多采用PWM變換器，這樣，提高了功率因數(shù)，使得電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題得以解決，但是又產(chǎn)生了噪音的問(wèn)題。解決這個(gè)新問(wèn)題的一個(gè)辦法是提高開(kāi)關(guān)頻率，使之超過(guò)人耳的感受范圍。若說(shuō)這個(gè)思路可行的話(huà)，又一個(gè)問(wèn)題是造成開(kāi)關(guān)損耗很大，這限制了逆變器工作頻率的提高。有人提出了運(yùn)用諧振式直流環(huán)逆變器，把逆變器掛在高頻振蕩的振路上，使電力電子器件在零電壓和零電流下轉(zhuǎn)換，從而使開(kāi)關(guān)損耗降低到零。問(wèn)題于是得到解決。從中，我們可以看到諧振式直流逆變器電路的應(yīng)用前景。

三、交流調(diào)速控制理論逐漸完善

矢量控制的基本思路是仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，將定子電流的磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦開(kāi)來(lái)分別加以控制，實(shí)際上是把異步電動(dòng)機(jī)的物理模型借助于坐標(biāo)等效變換成類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)的模式。這種變換具有一定的復(fù)雜性，還需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈的方向，參照轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，這使得實(shí)際控制效果具有一定的復(fù)雜性。但是，這個(gè)控制思想還是比較新穎的。若采用定子磁場(chǎng)定向，借助離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)來(lái)產(chǎn)生PwM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，省掉了復(fù)雜的矢量變換與對(duì)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化處理，沒(méi)有通常的PWM信號(hào)發(fā)生器大大減少了矢量控制中性能參數(shù)易受參數(shù)影響的問(wèn)題。這種思想所提出的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)踐價(jià)值，是一種具有高靜動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)換方法。

三、大量使用通用變頻器

通用變頻器通常是指那些系列化、批量化、目前在市場(chǎng)份額中占比最大的400KVA以下的小功率變頻器。從產(chǎn)品上來(lái)區(qū)分，則是指第一代和第二代變頻器。第一代變頻器是普通功能型U/F控制型，采用16位的CPU，第二代較第一代在性能上有了很大的提高，為高功能型的U/F控制型，采用32位DSP，或雙16位CPU，也稱(chēng)為“無(wú)跳閘變頻器”，這是因?yàn)槎a(chǎn)品還采用了磁通補(bǔ)通補(bǔ)償器，轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器、電流限制器，具有“無(wú)跳閘”能力。第三代產(chǎn)品為高動(dòng)態(tài)性能矢量控制型，其參數(shù)設(shè)定可通過(guò)軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制以及閉環(huán)控制的自?xún)?yōu)化，可選擇有速度傳感器矢量控制、無(wú)速度傳感器矢量控制、以及U/F左頻率開(kāi)環(huán)控制。從技術(shù)上看，在變頻器的大量使用過(guò)程中，其可操作性、可靠性、可維修性也由于由于單片機(jī)控制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展而得以提高。

四、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-51代表的8位機(jī)功能簡(jiǎn)單，指令集短小，可靠性強(qiáng)，保密性高，在市場(chǎng)上占有主導(dǎo)地位。其適用于PIC系列單片機(jī)以及二系列單片機(jī)(GMS97C)。現(xiàn)在，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)手段在不斷地豐富著，可以采用匯編語(yǔ)言、也可以采用模塊化的C語(yǔ)言、PL/M語(yǔ)言。

自動(dòng)控制系統(tǒng)中運(yùn)用非常廣的是集成模擬乘法器、集成鎖相和集成時(shí)基電路。電機(jī)控制方面多應(yīng)用HEF452、TL494、SLE4520和MA818來(lái)專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。邏輯電路則采用專(zhuān)用芯片(ASIC)進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。有四種類(lèi)型的器件組成ASIC中的邏輯陣列PLD:PROM、FPLA、PAL、GAL。可以在線性擦洗，能做到較快速的響應(yīng)。

結(jié)語(yǔ)

全控型的電力電子開(kāi)關(guān)取代半控型晶閘管，高頻的變換器得到發(fā)展應(yīng)用，交流調(diào)速控制理論的日漸成熟，以及集成電路和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的發(fā)展，這些技術(shù)的快速發(fā)展以及廣泛應(yīng)用，給電力電器企業(yè)的生產(chǎn)能力帶來(lái)了提升，自動(dòng)化的生產(chǎn)是電力電器企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)進(jìn)程的必然要求。科技做為第一生產(chǎn)力的作用越加凸顯。

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