王磊

摘 要：電氣自動化技術(shù)是當(dāng)今世界最活躍、最充滿生機、最富有開發(fā)前景的綜合性學(xué)科與眾多高新技術(shù)的合成。其應(yīng)用范圍十分廣泛，幾乎滲透到國民經(jīng)濟各個部門，隨著我國科技技術(shù)的發(fā)展，電氣自動化技術(shù)也隨之提高。

關(guān)鍵詞：電力工程；電氣自動化；自動化技術(shù)

1 前言

我國電氣自動化專業(yè)最早開設(shè)于50年代，由于其專業(yè)面寬，適用性廣，所以到如今一直很受歡迎，據(jù)教育部門最新公布的本科專業(yè)設(shè)置目錄中，它屬于工科電氣信息類。本文中主要針對這類電氣自動化技術(shù)的一些發(fā)展趨勢進行探討。

2 全控型電力電子開關(guān)逐步取代半控型晶閘管

50年代末出現(xiàn)的晶閘管標(biāo)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(tǒng)。隨著交流變頻技術(shù)的興起，相繼出現(xiàn)了全控式器件―CTR、GTO、P-MOSEFT等。這是第二代電力電子器件。由于目前所能生產(chǎn)的電流/電壓定額和開關(guān)時間的不同，各種器件各有其應(yīng)用范圍。GTR的二次擊穿現(xiàn)象以及其安全工作區(qū)受各項參數(shù)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(jù)不同的特性設(shè)計出合適的保護電路和驅(qū)動電路上，這也使得電路比較復(fù)雜，難以掌握。GTO是一種用門極可關(guān)斷的高壓器件，它的主要缺點是關(guān)斷增益低，一般為4～5，這就需要一個十分龐大的關(guān)斷驅(qū)動電路，且它的通態(tài)壓降比普通晶閘管高，約為Zv～4.5v，開通di/dt和關(guān)斷dv/dt也是限制GTO推廣運用的另一原因，前者約為500A/us，后者約為500V/us，這就需要一個龐大的吸收電路。

由于GIR、GTO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人阻抗的MOS結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件的一切。功率MOSFET是一種電壓驅(qū)動器件，基本上不要求穩(wěn)定的驅(qū)動電流，驅(qū)動電路只需要在器件開通時提供容性充電電流，而關(guān)斷時提供放電電流即可，因此驅(qū)動電路很簡單。它的開關(guān)時間很快，安全工作區(qū)十分穩(wěn)定，但是P-MOSFET的通態(tài)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(shù) 基 礎(chǔ) 上 的 產(chǎn) 物， 它 兼 有MOSFET高輸人阻抗、高速特性和GTR大電流密度特性的混合器件。其開關(guān)速度比P-MOSFET低，但比GTR快；其通態(tài)電壓降與GTR相擬約為1.5V～3.5v，比P-MOSFET小得多，其關(guān)斷存儲時間和電流卜降時間為別為0.2us一04us和0.2us～1.5us，因而有較高的工作頻率，它具有寬而穩(wěn)定的安個工作區(qū)，較高的效率，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。MOS控制晶閘管（MCT）是一種在它的單胞內(nèi)集成了MOSFET的品閘管，利用MOS門來控制品閘管的開通和關(guān)斷，具有晶閘管的低通態(tài)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(guān)頻率，且其關(guān)斷增益極高。

3 變換器電路從低頻向高頻方向發(fā)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(yīng)用普通晶閘管時，直流傳功的變換器主要是相控整流，而交流變頻傳動則是交一直一交變頻器。當(dāng)電力電子器件進入第二代后，更多是采用PWM變換器了。采用PWM方式后，提高了功率因數(shù)，減少了高次諧波對電岡的影響，解決了電動機在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題。但是PWM逆變器中的電壓、電流的諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動作用在定轉(zhuǎn)子上，使電機繞組產(chǎn)生振動而發(fā)出噪聲。為了解決這個問題，一種方法是提高開關(guān)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(dǎo)通或關(guān)斷，開關(guān)損耗很大。開關(guān)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(xué)Divan教授提出諧振式直流環(huán)逆變器。傳統(tǒng)的逆變器是掛在穩(wěn)定的直流母線上，電力電子器件是在高電壓下進行轉(zhuǎn)換的‘硬開關(guān)，其開關(guān)損耗較大，限制了開關(guān)在頻率上的提高。而諧奪式直流環(huán)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(zhuǎn)換，即工作在所謂的‘軟開關(guān)狀態(tài)下，從而使開關(guān)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(fā)展前途。

4 交流調(diào)速控制理論日漸成熟

1971年，德國學(xué)者F，Blaschke發(fā)表論文闡明了交流電機磁場定向即矢量控制的原理，為交流傳動高性能控制奠定了理論基礎(chǔ)。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(zhuǎn)矩分量解耦開來，分別加以控制。這種解耦，實際上是把異步電動機的物理模型設(shè)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(biāo)變換完成的。它需要檢測轉(zhuǎn)子磁鏈的方向，且其性能易受轉(zhuǎn)子參數(shù)，特別是轉(zhuǎn)子回路時間常數(shù)的影響。加上矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難于達到分析的結(jié)果。1985年德國魯爾大學(xué)的Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著1987年又把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。大致來說，直接轉(zhuǎn)矩控制，用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析計算與控制電流電動機的轉(zhuǎn)矩。采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)（Band一Band控制）產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。

5 通用變頻器開始大量投入實用

一般把系列化、批量化、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(chǎn)品來看，第一代是普通功能型U/F控制型，多采用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(zhuǎn)差補償器和電流限制拄制器.具有挖土機和“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(tài)性能矢量控制型。它采用全數(shù)字控制，可通過軟件實現(xiàn)參數(shù)自動設(shè)定，實現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制，可選擇U/F頻率開環(huán)控制、無速度傳感器矢量控制和有速度傳感器矢量控制，實現(xiàn)了閉環(huán)控制的自優(yōu)化。從技術(shù)發(fā)展看，雖然電力半導(dǎo)體器件有GTO、GTI、IGBT，但以后兩種為主，尤以IGBT為發(fā)展趨勢：變頻器的可靠性、可維修性、可操作性即所謂的RAs（Availability，Serviceability）功能也由于采用單片機控制動技術(shù)而得以提高。

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