主頁 > 技術文章 > 對電力係統中電氣自動化的（de）探討 2024-10-07

對電力係統中電氣自（zì）動化的探討

摘要：本文作者結合工作經（jīng）驗，針對全控型電力電子開關、變換器電路、交流調速控製、通用變頻器、單片機（jī）、集成電路及工業控（kòng）製計算機（jī）的（de）發（fā）展幾（jǐ）方麵論述了電氣自動化在電力係（xì）統中的應用。
前言：
　　電氣（qì）自動化專業在我國最早開設於5O年代，名稱為工業企業電氣自動化。雖經曆了幾次重大的（de）專業調整（zhěng），但由於其（qí）專業麵寬，適用性廠，一直到現在仍（réng）然煥發著勃勃生機。據教育（yù）部最新公布的本（běn）科專業設置（zhì）目錄，它屬於工科（kē）電氣信息類。新名稱為電氣（qì）二程及（jí）其自動化或自動（dòng）化（huà）。
　　隨著電力電子（zǐ）技術、微電子技術溝迅猛發展，原有的電力傳動(電子拖動)控製的概念已經不能（néng）充分概抓現代（dài）生產自動化（huà）係流中承擔第一線任務（wù）的全部控製設備。而且（qiě），電力拖動控製已經走出工廠（chǎng），在交通、農場、辦（bàn）公室以及家用電器等（děng）領域獲得了廣泛運用（yòng）。它的研究對象已經發展為運動控製係統，下麵僅對有關電氣自動（dòng）化技術的新發展作一些介紹。
1、全控型電力（lì）電子開關逐步取代半控型晶閘（zhá）管：
　　 5O年代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器件，在我國至今仍廣泛用（yòng）於直流和交流傳動控製係（xì）統。隨著交流變（biàn）頻技術（shù）的興起，相繼出現了全控式器件—— GTR、GTO、P—MOSEFT等。這是第二代電力電子器件。由於目前所能生產的電流／電壓定額和開（kāi）關時間的不同（tóng），各種器（qì）件（jiàn）各有其應用範圍。
　　 GTR的二次擊穿現象（xiàng）以及其（qí）安全工（gōng）作區受各項參（cān）數影響而（ér）變化和（hé）熱（rè）容（róng）量小、過流（liú）能力低（dī）等問題，使得人們把主要精力放在根據不同的特性設（shè）計出合適的保護電路和（hé）驅動電路上，這也使得電路比較複雜，難以掌握。
　　 GT0是一種用門極可關斷的（de）高（gāo）壓器件，它的主要缺點是關斷增益低，一般為4～5，這就需要一個十分龐大的關斷驅動電路，且它的通態壓降比普通晶閘管（guǎn）高，約為2～4．5V，開（kāi）通di／dt和關斷dv／dt也是限（xiàn）製GTO推廣運用的另（lìng）一原因，前者約為500A／u s，後者約（yuē）為500V／u s，這就（jiù）需要一個龐大（dà）的吸（xī）收（shōu）電路（lù）。
　　由於GTR、GT0 等雙（shuāng）極性全控性器件必須要有較大的控製（zhì）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（jié）構電力半導體器件的一切。功率MOSFET是一種電壓驅動器件，基本上不要求穩定的驅動電流，驅動（dòng）電（diàn）路隻需要（yào）在器件開（kāi）通時提供容性充（chōng）電（diàn）電流，而關斷時提供放電電流即可，因此驅動電路很簡單。它的開關時間很快，安全工作區十（shí）分穩定，但是P—MOSFET的通態電壓降（jiàng）隨著額定（dìng）電壓的增加而成倍增大，這就給製（zhì）造高壓P—MOSFET造成了很大困難（nán）。
　　 IGBT是P—MOSFET工藝技術基礎上的產物，它兼有MOSFET高輸入阻抗、高速特（tè）性和（hé）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相擬約為1．5～3．5V，比P—MOSFET小得多（duō），其關斷（duàn）存儲時間和電流I、降時間為別為O．2～O．4 u s和O．2～1．5 s，因而有較高的工作頻率（lǜ），它具有寬而穩定的安個工作區，較高的效率，驅動（dòng）電路（lù）簡單等（děng）優點。
　　 M0S控製晶閘管(MCT)是一（yī）種在它的單胞內（nèi）集成了MOSFET的品閘管，利用M0S門來控製（zhì）品閘管的開通和關斷，具有晶閘管的（de）低通（tōng）態電壓降，但其工作電流密度遠高IGBT和（hé）GTR，在（zài）理論上可製成（chéng）幾千（qiān）伏的阻斷電壓和幾十千赫的開關（guān）頻率，且其關斷增益極（jí）高。
　　 lGBT和MGT這一類複合型電力電（diàn）子器件可以稱為第三代器件。在器件的複合化的同時，模塊即把變（biàn）換器的雙臂、半（bàn）橋乃至全（quán）橋組合在一起大規模生產的器件也已進入實用。在模塊化和複合化思路的基（jī）礎上，其發展（zhǎn）便是功率集成電路PIC(Power， Integrated Circute)，在PIC中，不僅主回（huí）路的器件，而月驅動電路、過壓過流保護、電流檢測甚至溫度自（zì）動控製等作用都集成到一起，形成一個整體，這可以算（suàn）作第四代電力電子器件（jiàn）。
2、變換器電路從低頻向高頻方向發展：
　　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。應用普通晶閘管時，直流傳功的（de）變（biàn）換（huàn）器主要是相控整流，而交（jiāo）流變頻動則是交一（yī）直（zhí）一交變頻器。當電力電子器件人（rén）第（dì）二代後，更多早（zǎo）采用PW M 變換器了、采用PW M 方式後，提高了功（gōng）率因數，減少了高次諧波（bō）對電網的影響，解決了電動機在低頻區（qū）的轉矩脈動問題。
但是PW M 逆變器中的電壓、電流的諧波分（fèn）量產生的轉矩脈（mò）動作用在定轉子上，使電機繞組產生振動而發出噪聲。為了解決這個問（wèn）題，一種方法是提高開關（guān）頻率，使之（zhī）超過人耳能感（gǎn）受的範圍（wéi），但是電力電子器件在高電壓大電流（liú）的情況下導通或關斷，開關損耗很大。開（kāi）關損耗的存在限製了逆變器工作頻率的提（tí）高。
　　 1986年美國（guó）威（wēi）斯（sī）康星大學Divan教授提出諧振式直流環逆變器。傳統的逆變器是掛在穩定的直流母（mǔ）線上，電力電子（zǐ）器（qì）件是在高電壓下進行（háng）轉換的“硬開關（guān）“，其開關損耗較大，限製了開關在頻率上的（de）提高。而諧奪式直流環逆變器是把逆變器掛在（zài）高頻振蕩過零的諧振（zhèn）路上，使電力電子器件在零電壓或（huò）零電流（liú）下轉（zhuǎn）換（huàn），即工作在所（suǒ）謂的“軟（ruǎn）開（kāi）關”狀態下，從而使開關（guān）損耗降（jiàng）低到零。這樣，可以使逆器尺寸減少，降低成本，還（hái）可能在較高功（gōng）率上使逆變器集成（chéng）化（huà）。因此，諧振式直（zhí）流逆變器電（diàn）路極有發展前途。
3、交流調速（sù）控製理論日漸成熟：
　　矢量控（kòng）製（zhì）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轉矩分（fèn）量（liàng）解禍開來，分別加以控製（zhì）。這種解藕，實（shí）際上是把異步電動機的物理模型設法等（děng）效地變（biàn）換成類似於直（zhí）流電動機的模式，這種等效變換（huàn）是借（jiè）助於坐標（biāo）變換完成的（de）。它需（xū）要檢測轉子磁鏈的方（fāng）向，且其性能（néng）易受轉子參數（shù），特別是轉子回路時（shí）間常數的影響。加上（shàng）矢量旋轉變換（huàn）的（de）複雜性，使得實際的控製效（xiào）果難於達到分（fèn）析的結（jié）果。
　　大致來說，直接轉矩控製，用空間矢（shǐ）量（liàng）的分析方法（fǎ），直接在定子坐標係下（xià）分析計算與（yǔ）控製電流電動機的轉矩。采用定子（zǐ）磁場（chǎng）定向，借助於離散的兩點式調節(Band—Band控製（zhì）)產（chǎn）生PwM 信號，直接對（duì）逆變器的開（kāi）關狀態（tài）進行最佳控製，以獲得轉矩的高動態性能。它省（shěng）掉了複雜的矢量變換與電動數學模型的簡化處理（lǐ），大大減少了矢量控製中控製性能參數易受（shòu）參數變化影響的問題，沒有通常的PW M 信號發生器（qì），其控製思想新穎，控製結構簡單（dān），控製手段直接，信號處理物理概念明確，轉矩響應迅速，限（xiàn）製在一拍之內，且無超調，是一種具（jù）有高靜動態性能的新型（xíng）交流調速方法。
4、通用變頻器開始大量投入實用：
　　一般把係列化、批員化、占市場量最大的中小功率如400KVA以下的變頻器稱為通用變頻器。從產品來看，第一代是普通功能型U／F控製型（xíng），多彩用16位CPU，第二代為高（gāo）功能型U／F型，采用32位DSP，或（huò）雙16位CPU進行控製，采用了磁通補償器（qì）、轉（zhuǎn）差補償器和電流限（xiàn）製拄製器．具有挖（wā）上機（jī）和“無跳閘”能力，也（yě）稱為“無跳閘變頻器”。這類變頻器目（mù）前占市場份額最大、第三代為高動態性能矢量控製型。它采用全數字控製，可通（tōng）過軟件實現參數自動設定，實現變結構控製和自適應控製，可選擇U／F左頻率（lǜ）開環控製、無速度傳感器矢幼控製和有速（sù）度傳（chuán）感（gǎn）器矢量控製，實現了閉環控製的自動化。從技術發展看，電力半導體（tǐ）器件有GT0、GTR、IGBT，但以（yǐ）後兩種為主，尤以IGBT為發展趨勢：支頻器的可靠性、可維修性（xìng）、可操作性即（jí）所謂的RAS(Reliabiliry，Availability，Servicebility)功能（néng）也由於采（cǎi）用單片機（jī）控製動技術而（ér）得以提高。
5、單片機、集成電路及工業控（kòng）製計算機的發展：
　　以MCS一51代表的8位機雖然仍占（zhàn）主導地位但功（gōng）能簡（jiǎn）單，指令集短小（xiǎo），可靠性高，保密性高，適於大批量生產的PIC係列單片機（jī）及GM$97C(二係列（liè）單片機等正在推廣，而且單片機的應用範圍已（yǐ）開始擴展至智能儀器儀表（biǎo）或不太複雜的工業（yè）控製場合以（yǐ）充分（fèn）發揮單（dān）片機的優（yōu）勢另外，單片機的開發（fā）手段也更加豐富（fù），除用匯（huì）編語言外，更多地是采用模塊化的C語言、PL／M 語言。
　　在集成電路方麵，需要重點（diǎn）說明的是集成模擬乘法器和集（jí）成鎖相（xiàng）環路及集成時基（jī）電路在自動控製（zhì）係統中運（yùn）用很廣。在電機控製方麵，還（hái）有專用於產生PWM 控製信號的HEF4752、TL494、SLE4520和MA81 8等應（yīng）用也相當廣泛。
　　在邏輯電路方麵，值得注意的是用專用芯片(ASIC)進行邏輯設計。ASIC(Appilca—tion Specificl，Int egrated Circuit中有編程邏輯陣列PLD(Programmable Logic Device o PLD現（xiàn）有四種類型的器件：PR0M、FPLA、PAL、GAL。GAL是PAL了的第（dì）二代產品，它可以在線電擦（cā）洗，與TTL兼容，有較高（gāo）的響應速度，有可編程的保密位等優點。這些特點使（shǐ）得GAL在降低係（xì）統造價，減少產品體積和功耗，提（tí）高可靠性和穩定性及（jí）簡化係統設計，增強應用的保密性方麵有廣闊的發（fā）展產景，特別適合新產品研製及DMA控製和高速圖表處理，其上述交流的控製最終用（yòng）工業控製計（jì）算（suàn）機完（wán）成。
　　隨著電力電子技術（shù）、微電子技術迅猛發展，原有的電力傳動(電子拖動)控製的概念已（yǐ）經（jīng）不能充分概抓現（xiàn）代生（shēng）產（chǎn）自動化係流（liú）中承擔第一（yī）線任務的全部控製設備。而且，電力拖動控製（zhì）已經走出工（gōng）廠，在交通（tōng）、農場（chǎng）、辦公室以及家用電器等領域獲得了廣泛運用。它的研究對（duì）象已經發展為運動控製係統，僅對有關電氣自（zì）動化技術的新發展作一些介紹。

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