淺析電氣自動化控制技術在電力系統中的應用

謝康

新鋼公司第一設備檢修廠

摘要：本文作者結合工作經驗，針對全控型電力電子開關、變換器電路、交流調速控制、通用變頻器、單片機、集成電路及工業控制計算機的發展幾方面論述了電氣自動化在電力系統中的應用。

關鍵詞：電氣自動化；變換器；系統

0前言

電氣自動化專業在我國最早開設于5O年代，名稱為工業企業電氣自動化。雖經歷了幾次重大的專業調整，但由于其專業面寬，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，它屬于工科電氣信息類。新名稱為電氣二程及其自動化或自動化。

隨著電力電子技術、微電子技術溝迅猛發展，原有的電力傳動（電子拖動）控制的概念已經不能充分概抓現代生產自動化系流中承擔第一線任務的全部控制設備。而且，電力拖動控制已經走出工廠，在交通、農場、辦公室以及家用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制系統，下面僅對有關電氣自動化技術的新發展作一些介紹。

1全控型電力電子開關逐步取代半控型晶閘管

5O年代末出現的晶閘管標志著運動控制的新紀元。它是第一代電子電力器件，在我國至今仍廣泛用于直流和交流傳動控制系統。隨著交流變頻技術的興起，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。由于目前所能生產的電流/電壓定額和開關時間的不同，各種器件各有其應用范圍。

GTR的二次擊穿現象以及其安全工作區受各項參數影響而變化和熱容量小、過流能力低等問題，使得人們把主要精力放在根據不同的特性設計出合適的保護電路和驅動電路上，這也使得電路比較復雜，難以掌握。

GT0是一種用門極可關斷的高壓器件，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高，約為2～4.5V，開通di/dt和關斷dv/dt也是限制GTO推廣運用的另一原因，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，因而使門極控制電路非常龐大，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是一種電壓驅動器件，基本上不要求穩定的驅動電流，驅動電路只需要在器件開通時提供容性充電電流，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，安全工作區十分穩定，但是P—MOSFET的通態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工藝技術基礎上的產物，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，其關斷存儲時間和電流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，它具有寬而穩定的安個工作區，較高的效率，驅動電路簡單等優點。

M0S控制晶閘管（MCT）是一種在它的單胞內集成了MOSFET的品閘管，利用M0S門來控制品閘管的開通和關斷，具有晶閘管的低通態電壓降，但其工作電流密度遠高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關頻率，且其關斷增益極高。

lGBT和MGT這一類復合型電力電子器件可以稱為第三代器件。在器件的復合化的同時，模塊即把變換器的雙臂、半橋乃至全橋組合在一起大規模生產的器件也已進入實用。在模塊化和復合化思路的基礎上，其發展便是功率集成電路PIC（Power，Integrated Circute），在PIC中，不僅主回路的器件，而月驅動電路、過壓過流保護、電流檢測甚至溫度自動控制等作用都集成到一起，形成一個整體，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，直流傳功的變換器主要是相控整流，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，減少了高次諧波對電網的影響，解決了電動機在低頻區的轉矩脈動問題。

但是PW M 逆變器中的電壓、電流的諧波分量產生的轉矩脈動作用在定轉子上，使電機繞組產生振動而發出噪聲。為了解決這個問題，一種方法是提高開關頻率，使之超過人耳能感受的范圍，但是電力電子器件在高電壓大電流的情況下導通或關斷，開關損耗很大。開關損耗的存在限制了逆變器工作頻率的提高。

1986年美國威斯康星大學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線上，電力電子器件是在高電壓下進行轉換的“硬開關“，其開關損耗較大，限制了開關在頻率上的提高。而諧奪式直流環逆變器是把逆變器掛在高頻振蕩過零的諧振路上，使電力電子器件在零電壓或零電流下轉換，即工作在所謂的“軟開關”狀態下，從而使開關損耗降低到零。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展前途。

3 交流調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機的控制方式，把定子電流的磁場分量和轉矩分量解禍開來，分別加以控制。這種解藕，實際上是把異步電動機的物理模型設法等效地變換成類似于直流電動機的模式，這種等效變換是借助于坐標變換完成的。它需要檢測轉子磁鏈的方向，且其性能易受轉子參數，特別是轉子回路時間常數的影響。加上矢量旋轉變換的復雜性，使得實際的控制效果難于達到分析的結果。

大致來說，直接轉矩控制，用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下分析計算與控制電流電動機的轉矩。采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節（Band—Band控制）產生PwM 信號，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能。它省掉了復雜的矢量變換與電動數學模型的簡化處理，大大減少了矢量控制中控制性能參數易受參數變化影響的問題，沒有通常的PW M 信號發生器，其控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理物理概念明確，轉矩響應迅速，限制在一拍之內，且無超調，是一種具有高靜動態性能的新型交流調速方法。

4 通用變頻器開始大量投入實用

一般把系列化、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進行控制，采用了磁通補償器、轉差補償器和電流限制拄制器. 具有挖上機和“無跳閘”能力，也稱為“無跳閘變頻器”。這類變頻器目前占市場份額最大、第三代為高動態性能矢量控制型。它采用全數字控制，可通過軟件實現參數自動設定，實現變結構控制和自適應控制，可選擇U/F左頻率開環控制、無速度傳感器矢幼控制和有速度傳感器矢量控制，實現了閉環控制的自優化。從技術發展看，電力半導體器件有GT0、GTR、IGBT，但以后兩種為主，尤以IGBT為發展趨勢：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控制動技術而得以提高。

5 單片機、集成電路及工業控制計算機的發展

以MCS一51代表的8位機雖然仍占主導地位 但功能簡單，指令集短小，可靠性高，保密性高，適于大批量生產的PIC系列單片機及GM$97C（二系列單片機等正在推廣，而且單片機的應用范圍已開始擴展至智能儀器儀表或不太復雜的工業控制場合以充分發揮單片機的優勢另外，單片機的開發手段也更加豐富，除用匯編語言外，更多地是采用模塊化的C語言、PL/M 語言。

在集成電路方面，需要重點說明的是集成模擬乘法器和集成鎖相環路及集成時基電路在自動控制系統中運用很廣。在電機控制方面，還有專用于產生PWM 控制信號的HEF4752、TL494、SLE4520和MA81 8等應用也相當廣泛。

在邏輯電路方面，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現有四種類型的器件：PR0M、FPLA、PAL、GAL。GAL是PAL了的第二代產品，它可以在線電擦洗，與TTL兼容，有較高的響應速度，有可編程的保密位等優點。這些特點使得GAL在降低系統造價，減少產品體積和功耗，提高可靠性和穩定性及簡化系統設計，增強應用的保密性方面有廣闊的發展產景，特別適合新產品研制及DMA控制和高速圖表處理，其上述交流的控制最終用工業控制計算機完成。

6 結束語

隨著電力電子技術、微電子技術迅猛發展，原有的電力傳動（電子拖動）控制的概念已經不能充分概抓現代生產自動化系流中承擔第一線任務的全部控制設備。而且，電力拖動控制已經走出工廠，在交通、農場、辦公室以及家用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制系統，僅對有關電氣自動化技術的新發展作一些介紹。