主頁 > 技術文章 > 電力係統中的電氣自動（dòng）化技術 2024-10-16

電力係統中的電氣自動化技術

電（diàn）氣自動化專（zhuān）業在經曆（lì）了幾（jǐ）次重大的專業調整,但由於其專業麵寬,適用性廠,一直到現在仍然煥發著勃勃生機。據教育部最新公布的本科專業設置目錄,它屬於工科電氣信息類。新名稱為電氣二程（chéng）及其自動化或自動化。
    隨著電（diàn）力電子技術、微電子技術溝迅猛發（fā）展,原有的電力傳動(電子拖動)控（kòng）製的概念（niàn）已經不能充分概抓現代生產自動化係（xì）流中承擔第一（yī）線任務的全部（bù）控製設備。而且,電（diàn）力拖動控製已經（jīng）走出工廠,在交通、農場、辦公室以及家用（yòng）電器等領域獲得了廣泛運用。它的研究對象已經發展為運動控製係統,下（xià）麵僅對有關電氣自動化技術的新發展作一些（xiē）介紹（shào）。
1、全控型電力電子開關逐（zhú）步取代半控型晶閘（zhá）管：
    5O年代（dài）末出現的晶閘管標誌著運動控製的新紀元。它是第一代電子電力（lì）器件,在（zài）我國至（zhì）今仍廣泛（fàn）用於直流和交流傳（chuán）動控製係統。隨著交（jiāo）流變頻技術（shù）的興起,相繼出現了（le）全（quán）控式器件—— GTR、GTO、P—MOSEFT等（děng）。這是第二代電（diàn）力電子器件。由於目前所能（néng）生產的電流/電壓定額和開關時間的（de）不同,各種器件各有其應用範圍。
    GTR的二次擊穿現（xiàn）象以及（jí）其（qí）安全工作區受（shòu）各項參數影響而變化（huà）和熱容（róng）量小、過流能力低等問題,使得人們把主要精力放在（zài）根據不同的特（tè）性設計出合適的保護電路和驅動電路上,這（zhè）也使得電路比較複雜,難以掌握（wò）。
    GT0是一（yī）種用門極可關斷的高（gāo）壓器件, 它的主要缺（quē）點是關斷增益低,一般為4~5,這就需要一個十分（fèn）龐大的關斷驅動（dòng）電路,且它的（de）通態（tài）壓降比普通晶閘管高,約為2~4.5V,開通di/dt和關斷dv/dt也是（shì）限製GTO推廣（guǎng）運用的另一原因（yīn）,前者約為500A/u s,後者約為（wéi）500V/u s,這就需要一個龐大的吸收電路。
由於GTR、GT0 等雙極性全控性（xìng）器件必須要有較大的控製電流,因而使門極控製電路非常龐大,從而促進廠新一代具有高輸入阻抗的M0S結構電力半導體器件的一切。功率MOSFET是一種電壓驅動器（qì）件,基本上不要求穩定的驅動電流,驅動電路隻需要在器件開通時（shí）提供容性充電電（diàn）流,而關斷時提（tí）供放（fàng）電電流即可,因此驅動電路很簡單。它的開關時（shí）間（jiān）很快（kuài）,安全工作區十分穩定,但是P—MOSFET的通態電壓（yā）降隨著額（é）定電壓的（de）增加而成倍增大,這就給製造高壓（yā）P—MOSFET造成了（le）很大（dà）困難。
IGBT是P—MOSFET工藝（yì）技（jì）術基礎上的產物, 它兼（jiān）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。其開關速度比P—MOSFET低,但比GTR快其通態電壓降與GTR相（xiàng）擬約為1.5~3.5V,比P—MOSFET小得多（duō）,其（qí）關斷存儲時間和電流I、降（jiàng）時間為別為O.2~O.4 u s和O.2~1.5 s,因（yīn）而有（yǒu）較高的工作頻率,它具有寬而穩定的安個工作區,較高的效率,驅動電路簡單（dān）等優點。
    M0S控（kòng）製晶閘管(MCT)是一種在（zài）它的單胞內集成了MOSFET的品閘管,利（lì）用M0S門來控（kòng）製品（pǐn）閘管的開通（tōng）和關斷,具有晶閘（zhá）管的（de）低通態電壓降,但其工作（zuò）電流密度遠高IGBT和GTR,在理論上可製成幾千伏的阻斷電壓和幾十千赫的（de）開關頻（pín）率,且其關斷（duàn）增益極高（gāo）。
    lGBT和MGT這一類複合型電力電子器件（jiàn）可以稱為第三代器件。在器（qì）件的複合化的（de）同時（shí）,模塊（kuài）即把變（biàn）換器的雙臂、半橋乃至全橋（qiáo）組合在一起大規模生產的器件也已進入實用。在模塊化和（hé）複合化思路的基礎上,其發展便是功率集成電路PIC(Power, Integrated Circute),在PIC中,不（bú）僅主回路（lù）的器件,而月驅動電路、過壓過流保護、電流（liú）檢測甚至溫度自動控（kòng）製等作用都集成到一（yī）起,形成一個整體,這（zhè）可以算作第四代電（diàn）力電子器（qì）件。
2、變換器電路從低頻向高頻方向發展：
    隨著電力（lì）電子（zǐ）器件的（de）更新,由它組成（chéng）的變換器電路（lù）也必然要換代（dài）。應用普通晶閘管時,直流傳功的變換器主要是（shì）相控整流,而交流變頻動則是交一直一交變頻器。當電力電子器件人第二（èr）代後（hòu）,更多早（zǎo）采用PW M 變換器了、采用PW M 方式後,提高（gāo）了功率因數,減（jiǎn）少了高次諧波對電網的影響,解決了電動機在（zài）低頻區的轉矩脈動問（wèn）題。
    但是PW M 逆變器中的電壓、電流的諧波分量產生的轉矩（jǔ）脈動作用在定轉子（zǐ）上,使電機繞組產生振動而發出（chū）噪聲。為（wéi）了（le）解決（jué）這個問題,一種方法是提（tí）高開關頻率,使之超過人耳能感受的範圍,但是電力電子器件在高電壓大電流的情況下導通或關斷,開（kāi）關損耗很大。開關損耗的存在限製了逆變器工作頻率（lǜ）的提高。
3、交流調速控製理論日漸成熟：
    矢量（liàng）控製的基本思想是仿照直流電動機的控製方式,把定子電流的磁場分量和（hé）轉矩分量解禍開來（lái）,分別加以控製。這（zhè）種解藕,實際上是把異步（bù）電動機的物理模型設法等效地變換成類似於直流電動機的模（mó）式,這種等效變換是（shì）借助於坐標（biāo）變換完成的。它需要檢測（cè）轉子磁鏈的方向,且其性能易受轉子參數,特別是轉（zhuǎn）子（zǐ）回路時間常數的影響。加上矢量旋轉變（biàn）換的複雜性,使得（dé）實際的控製效果難於達到分析的結果。
    大致來說,直接轉矩控製,用空間（jiān）矢量的分析方法,直接在定（dìng）子坐（zuò）標係下分析（xī）計算與控製電流電動機的轉矩。采用定子磁場定向,借助於離散的兩點式調節(Band—Band控製)產（chǎn）生PwM 信號,直（zhí）接對逆變器的開關狀態進行最（zuì）佳控製,以獲得轉矩的（de）高動態性（xìng）能。
4、通用變頻器開始大（dà）量投入實（shí）用：
一般（bān）把係列（liè）化、批員化、占市（shì）場量最大的中小功率如400KVA以下的變頻器稱為通用變頻（pín）器。從產品來看,第一代是普通（tōng）功能型U/F控製型,多彩用16位CPU,第二代為（wéi）高功能型U/F型,采用32位（wèi）DSP,或雙16位CPU進行控製,采用了磁通補償器、轉差補償（cháng）器和電流限製拄製器. 具有（yǒu）挖上機和“無跳閘”能（néng）力,也稱為“無跳閘變頻器”。這類（lèi）變頻器目前占市場份額（é）最大、第（dì）三代為高動態性（xìng）能矢量控製型。
5、單片機、集成電路及工業控製計算機的發（fā）展：
    以MCS一（yī）51代表的8位（wèi）機雖（suī）然仍占主導地位但功能簡單,指令集短小,可靠性高,保密性高,適（shì）於（yú）大批量生產的PIC係列單（dān）片機及GM$97C(二係列單（dān）片機等正在推廣（guǎng）,而且（qiě）單片機的應用範圍已開始擴展至智能儀器儀表或不太複雜的（de）工業自動化控製場合以充分發揮單（dān）片機的優勢另外,單片機的開發手段（duàn）也更加豐富,除用匯編語言外,更多地是（shì）采用模塊化的C語言（yán）、PL/M 語言。
6、結束語：
隨著電力電子技（jì）術、微電子技術（shù）迅猛發（fā）展,原有的電力傳動(電（diàn）子拖動)控製的概念已經不能充分概抓現代生產自動化係流（liú）中承擔第一線任務的全部控製設備。而且,電力拖動控製已經走出工廠,在交通、農場、辦公（gōng）室以（yǐ）及家用電器（qì）等領域獲得了廣泛運用。它的研究對象（xiàng）已經（jīng）發展（zhǎn）為運動控製係統,僅對有關（guān）電氣自動（dòng）化技（jì）術的新發展作一些介紹。

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