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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
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