电力工程中电气自动化技术探析 孙月

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2018/5/8来源:《电力设备》2017年第36期文/孙月 林美钰 李祎 许倩楠
[导读]摘要:随着我国电力工程电子技术、微电子技术的快速发展,原有的电力传动(电子拖动)控制等概念已经不能充分概抓现代生产自动化系流中承担第一线任务的全部控制设备,而且电力拖动控制已经走出工厂,不但在交通、农场或办公室以及家用电器等领域获得了广泛运用,它的研究对象早已经发展为运动控制系统,本文主要针对有关电气自动化技术的一些发展进行分析论述,仅供参考。

        (国网辽宁省电力有限公司检修分公司  辽宁省沈阳市  110003)
        摘要:随着我国电力工程电子技术、微电子技术的快速发展,原有的电力传动(电子拖动)控制等概念已经不能充分概抓现代生产自动化系流中承担第一线任务的全部控制设备,而且电力拖动控制已经走出工厂,不但在交通、农场或办公室以及家用电器等领域获得了广泛运用,它的研究对象早已经发展为运动控制系统,本文主要针对有关电气自动化技术的一些发展进行分析论述,仅供参考。
        关键词:电力工程;电气自动化;技术
        1、电力电子开关更新换代
        由于GIR、GTO等双极性全控性器件必须要有较大的控制电流,因而使门极控制电路非常庞大,从而促进厂新一代具有高输人阻抗的MOS结构电力半导体器件的一切。功率MOSFET是一种电压驱动器件,基本上不要求稳定的驱动电流,驱动电路只需要在器件开通时提供容性充电电流,而关断时提供放电电流即可,因此驱动电路很简单。它的开关时间很快,安全工作区十分稳定,但是P-MOSFET 的通态电压降随着额定电压的增加而成倍增大,这就给制造高压P-MOSFET造成了很大困难。
        IGBT是P-MOSFET工艺技术基础上的产物,它兼有MOSFET 高输人阻抗、高速特性和 GTR大电流密度特性的混合器件。其开关速度比P-MOSFET低,但比GTR快;其通态电压降与GTR相拟约为1.5V~3.5v,比P-MOSFET小得多,其关断存储时间和电流卜降时间为别为0.2us~04us和0.2us~1.5us,因而有较高的工作频率,它具有宽而稳定的安个工作区,较高的效率,驱动电路简单等优点。
        MOS 控制晶闸管(是一种在它的单胞内集成了MOSFET的品闸管,利用MOS门来控制品闸管的开通和关断,具有晶闸管的低通态电压降,但其工作电流密度远高IGBT和 GTR,在理论上可制成几千伏的阻断电压和几十千赫的开关频率,且其关断增益极高。
        IGBT和MGT这一类复合型电力电子器件可以称为第三代器件。在器件的复合化的同时,模块即把变换器的双臂、半桥乃至全桥组合在一起大规模生产的器件也已进入实用。在 模块化和复合化思路的基础卜,其发展便是功率集成电路 PIC, 在PIC,不仅主回路的器件,而且驱动电路、过压过流保护、电流检测甚至温度自动控制等作用都集成到一起,形成一个整体,这可以算作第四代电力电子器件。
        2、变换器电路发展方向
        随着电力电子器件的更新,由它组成的变换器电路也必然要换代。应用普通晶闸管时,直流传功的变换器主要是相控整流,而交流变频船动则是交一直一交变频器。当电力电子器件进入第二代后,更多是采用PWM变换器了。采用PWM方式后,提高了功率因数,减少 了高次谐波对电冈的影响,解决了电动机在低频区的转矩脉动问题。
        但是PWM 逆变器中的电压、电流的谐波分量产生的转矩脉动作用在定转子上,使电机绕组产生振动而发出噪声。为了解决这个问题,一种方法是提高开关频率,使之超过人耳能感受的范围,但是电力电子器件在高电压大电流的情况下导通或关断,开关损耗很大。开关损耗的存在限制了逆变器工作频率的提高。
        1986年美国威斯康星大学 Divan教授提出谐振式直流环逆变器。传统的逆变器是挂在稳定的直流母线上,电力电子器件是在高电压下进行转换的‘硬开关’,其开关损耗较大,限制了开关在频率上的提高。而谐夺式直流环逆变器是把逆变器挂在高频振荡过零的谐振路上,使电力电子器件在零电压或零电流下转换,即工作在所谓的‘软开关’状态下,从而使开关损耗降低到零。这样,可以使逆器尺寸减少,降低成本,还可能在较高功率上使逆变器集成化。因此,谐振式直流逆变器电路极有发展前途。
        3、交流调速控制理论日渐成熟
        1971年,德国学者F・Blaschke发表论文阐明了交流电机磁场定向即矢量控制的原理,为交流传动高性能控制奠定了理论基础。矢量控制的基本思想是仿照直流电动机的控制方式,把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来,分别加以控制。但在实际应用中控制效果难于达到分析的结果。
        1985年德国鲁尔大学的Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制的理论,接着 1987 年又把它推 广到弱磁调速范围。采用定子磁场定向,借助于离散的两点式调节(Band一Band控制)产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动数学模型的简化处理,大大减少了矢量控制中控制性能参数易受参数变化影响的问题,没有通常的PWM信号发生器,其控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处物理概念明确,转矩响应迅速,限制在一拍之内,且无超调,是一种具有高静动态性能的新型交流调速方法。
        4、通用变频器开始大量投入使用
        一般把系列化、批量化、占市场量最大的中小功率如400KVA以下的变频器称为通用变频器。从产品来看,第一代是普通功能型U/F控制型,多采用16位CPU,第二代为高功能型U/F型,采用32位DSP或双16位CPU进行控制,采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制拄制器,具有挖土机和“无跳闸”能力,也称为“无跳闸变频器”。这类变频器目前占市场份额最大。第三代为高动态性能矢量控制型。它采用全数字控制,可通过软件实现参数自动设定,实现变结构控制和自适应控制,可选择U/F频率开环控制、无速度传感器矢量控制和有速度传感器矢量控制,实现了闭环控制的自优化。
        5、单片机、集成电路及工业控制计算机的发展
        以MCS-51为代表的8位机虽然仍占主导地位,但功能简单,指令集短小,可靠性高,保密性高,适于大批量生产的PIC系列单片机及CMS97C系列单片机等正在推广,而且单片机的应用范围已开始扩展至智能仪器仪表或不太复杂的工业控制场合以充分发挥单片机的优势另外,单片机的开发手段也更加丰富,除用汇编语言外,更多地是采用模块化的语言、PL/M语言。
        在集成电路方面,需要重点说明的是集成模拟乘法器和集成锁相环路及集成时基电路在自动控制系统中运用很广。在电机控制方面,还有专用于产生PWM控制信号的HEF4752、TL494、SLE4520和MA818等应用也相当广泛。
        在逻辑电路方面,值得注意的是用专用芯片(ASIC)进行逻辑设计,其中有编程逻辑阵PLD( Programrnable Logic Device)。PLD现有四种类型的器件:PROM、FPLA、PAL、GAL。GAL是PAL的第二代产品,它可以在线电擦洗,与TTL兼容,有较高的响应速度,有可编程的保密位等优点。这些特点使得 GAL在降低系统造价,减少产品体积和功耗,提高可靠性和稳定性及简化系统设计,增强应用的保密性方面有厂‘阔的发展产景,特别适合新产品研制及DMA控制和高速图表处理,其上述交流的控制最终用工业控制计算机完成。
        结束语:
        众所周知,电气自动化技术是当今世界最活跃、最充满生机、最富有开发前景的综合性学科与众多高新技术的合成。其应用范围十分广泛,几乎渗透到国民经济各个部门,随着我国科技技术的发展,电气自动化技术也随之提高。
        参考文献:
        [1]李燕馨.电力电气自动化元件技术的运用[J].中国新技术新产品,2010(22)
        [2]沙倩.电气自动化监控系统中图形编辑器的设计与实现[D].济南:山东大学,2008
        [3]陈炯宇.浅谈电气自动化在电力系统中的应用[J].大科技・科技天地,2011(1)