浅议电气自动化在电力变换器电路从低频向高频

　　摘  要: 电力电气的自动化程度是一个国家电力电子行业发展水平的一个重要核心，它是整个社会经济运行不可缺少的技术方法。本文主要针对电气自动化的发展趋势进行探讨。

 

　　关键词: 电气自动化；电力系统；方向发展

 

　　Abstract: Electric power automation is an important core of a national power electronic industry development level, it is also the indispensable technical method of the whole social economy. This paper mainly explores the development tendency of the electrical automation.

 

　　Key words: electrical automation; power system; development direction

 

　　中图分类号: S24　文献标识码:A　文章编号：2095-2104（2012）

 

　　1  变换器电路从低频向高频方向发展

 

　　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,直流传动的变换器主要是相控整流,而交流变频动则是交一直一交变频器。当电力电子器件进入第二代后,更多早采用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网的影响,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。

 

　　2  交流调速控制理论日渐成熟

 

　　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祸开来,分别加以控制。这种解藕,实际上是把异步电动机的物理模型设法等效地变换成类似于直流电动机的模式,这种等效变换是借助于坐标变换完成的。它需要检测转子磁链的方向,且其性能易受转子参数,特别是转子回路时间常数的影响。加上矢量旋转变换的复杂性,使得实际的控制效果难于达到分析的结果。

 

　　大致来说,直接转矩控制,用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系下分析计算与控制电流电动机的转矩。采用定子磁场定向,借助于离散的两点式调节(Band-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,信号处理物理概念明确,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。

 

　　3  通用变频器开始大量投入实用

 

　　一般把系列化、批员化、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.具有挖上机和“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左频率开环控制、无速度传感器矢幼控制和有速度传感器矢量控制,实现了闭环控制的自优化。从技术发展看,电力半导体器件有GTO、GTR、IGBT,但以后两种为主,尤以IGBT为发展趋势:支频器的可靠性、可维修性、可操作性即所谓的RAS(Reliabiliry,Availability,Servicebility)功能也由于采用单片机控制动技术而得以提高。

 

　　4  电力电子开关逐步取代半控型晶闸管

 

　　50年代末出现的晶闸管标志着运动控制的新纪元。它是第一代电子电力器件,在我国至今仍广泛用于直流和交流传动控制系统。随着交流变频技术的兴起,相继出现了全控式器件---GTR、GTO、P-MOSEFT等。这是第二代电力电子器件。由于目前所能生产的电流/电压定额和开关时间的不同,各种器件各有其应用范围。

 

　　GTR的二次击穿现象以及其安全工作区受各项参数影响而变化和热容量小、过流能力低等问题,使得人们把主要精力放在根据不同的特性设计出合适的保护电路和驱动电路上,这也使得电路比较复杂,难以掌握。GTO是一种用门极可关断的高压器件,它的主要缺点是关断增益低,一般为4～5,这就需要一个十分庞大的关断驱动电路,且它的通态压降比普通晶闸管高,约为2～4.5V,开通di/dt和关断dv/dt也是限制GTO推广运用的另一原因,前者约为500A/μs,后者约为500V/μs,这就需要一个庞大的吸收电路。由于GTR、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,从而促进新一代具有高输入阻抗的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高输入阻抗、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1.5～3.5V,比P-MOSFET小得多,其关断存储时间和电流下降时间为别为0.2～0.4μs和0.2～1.5μs,因而有较高的工作频率,它具有宽而稳定的安全工作区,较高的效率,驱动电路简单等优点。

 

　　MOS控制晶闸管(MCT)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上,其发展便是功率集成电路，PIC(Power,lntegratedCircute),在PIC中,不仅主回路的器件,而月驱动电路、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。

 

　　5  单片机、集成电路及工业控制计算机的发展

 

　　以MCS-51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GMS97C(二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C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。ASIC(Appilca-tionSpecificl,IntegratedCircuit中有编程逻辑阵列PLD(ProgrammableLogicDevice)。PLD现有四种类型的器件:PROM、FPLA、PAL、GAL。GAL是PAL了的第二代产品,它可以在线电擦洗,与TTL兼容,有较高的响速度,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广阔的发展产景,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。