电力电气自动化元件技术运用分析

电力电气自动化元件技术运用分析

谢海生

（广东电网湛江雷州供电局）

摘要：电力电气生产的自动化可以有效提高电力电气企业的管理水平和生产效率，同时还能有效提高产品生产的质量，也使得人们的生产条件得到改善，实现节能降耗，降低成本，是增强企业竞争力的有效途径。电力电气的自动化发展程度也是衡量一个国家电力电子行业发展水平的标准，这也是微电子技术推动下的信息技术发展的必然结果，本文就自动化发展中用到的电力电气自动化元件技术的运用进行了详细的分析。具体分析了全控型电力电子开关、高频变换器、通用变频器、单片机、集成电路还有工业控制计算机的发展变化，从中展示了自动化元件技术的运用发展细节。

关键词：电力电气；元件；自动化

电力电气自动化元件的技术运用是近年来发电企业热议的课题。电力企业采用的自动化控制技术及产品越先进，其自动化运行和管理水平就越高。这也是适应信息化技术的发展及电力市场不断孕育成熟这种新状况的良好举措。电力电气自动化元件技术是能源社会运行时必不可少的技术保证，也是衡量一个国家电力行业发展水平明显标志，也是社会实现经济效益的可靠保障。

电力传动控制也即电子拖动控制是运动控制系统的前身，随着电力电子技术、微电子技术的迅猛发展，这种控制系统越发显得笨拙，而新型的电气自动化技术的运动控制系统，较上一代，控制能力更强，效率更高。下面，就对其中的自动化元件技术的运用进行一些分析。

一、全控型电力电子开关

我国的直流和交流传动控制系统至今仍广泛用到晶闸管，这是第一代的电力电子开关控制器件。但是，近年来随着交流变频技术的兴起，全控式器件如电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管GTO、P-MOSEFT等逐渐出现，大有取代之势。他们被称为是第二代电力电子器件。，但是，由于目前市场所生产的全控式器件的开关时间和电流/电压定额不同，同类的器件有着不同的应用范围。下面逐例介绍：1.电力晶体管（GTR），具有耐高压、电流大、开关特性好的优点，同时，它的缺点是有二次击穿现象、工作时过流能力低，热量太小，还容易受各项参数的影响而变化。具体的使用时，人们必须根据它的这些特性设计一些合适的保护电路和驱动电路，这样，使得驱动电路复杂化。

2.可关断晶闸管（GTO），主要特点是，当门极加负向触发信号的时候，晶闸管能自行关断。其容量及使用寿命都超过了电力晶体管（GTR），只是在工作频率上低于GTR，广泛应用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。其主要缺点为关断增益低，需要一个庞大的关断驱动电路来配合使用。可关断晶闸管的通态压降约为2-4.5V，比普通晶闸管要高。较高的开通电流变化率和关断电压变化要求在使用过程中配备一个庞大的吸收电路，这在一定程度上限制了可关断晶闸门（GTO）的推广运用。

3.P-MOSEFT是一种电压驱动器件，它的开关频率很快，驱动电路也很简单，不要求稳定的驱动电流。只要能在器件开通时提供充电电流，关断时提供放电电流即可满足使用。主要缺点是，在使用过程中不得不考虑其通态压降会随着额定电压的增加而成倍加大造成的困扰。

4.IGBT和MGT是复合型的电力电子器件，也被称为第三代器件。其中IGBT是将MOSFET和GTR混合起来的产物，其开关速度介于两者之间，兼有MOSFET高输入阻抗、高速特性与GTR的大电流密度特性。其通态电压降也与GTR相似，而比P-MOSFET小得多，具有较高的工作频率，驱动电路也简单。MGT晶闸管集成了MOSFET，其开关利用MOS门来控制完成，工作时的电流密度高于IGBT和GTR，关断增益极高，理论上用于制成几千伏的阻断电压和几十赫兹的开关频率。第三代器件秉承了模块化和集成化的思想，沿此思想发展下去，便是功率集成电路（PIC），将驱动电路、过压保护、电流检测等集成到一起，形成具有更多优势的全控型第四代电力电子开关器件。

二、高频变换器电路的运用

当电力电子器件更新到第二代，多采用PWM变换器，这样，提高了功率因数，使得电动机在低频区的转矩脉动问题得以解决，但是又产生了噪音的问题。可以通过提高开关频率的办法，使噪音频率在人耳的感受范围之外。若说这个思路可行的话，又一个需要面对的新问题是开关损耗很大，这影响了逆变器工作频率的提高。有人提出了“软开关”的思路，具体的是把谐振式直流环逆变器挂在高频振荡的振路上，这样可以实现电力电子器件在零电压和零电流下的转换，从而使开关损耗降低到零。问题于是得到解决。从中，我们可以看到谐振式直流逆变器电路的将是未来时期内的应用主流。

三、交流调速控制理论逐渐完善

交流调速控制理论中的矢量控制的基本思路是将定子电流的磁场分量和转矩分量分别加以控制，这仿照了直流电动机的控制方式，实际上是把异步电动机的物理模型借助于坐标等效变换成类似于直流电动机的模式。变换时需要检测转子磁链的方向，参照转子参数的影响等，其复杂性使得实际控制效果有了不确定性。但是，这个控制思想还是比较新颖的。有人提出了省掉复杂的矢量变换与对数学模型的简化处理，采用定子磁场定向，借助两点式调节来产生PwM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制。这样直接省去了通常必不可少的PWM信号发生器，也在很大程度上减少了矢量控制中性能参数易受其他影响的问题。这个思想所提出的控制结构简单，有人研究后发现是一种具有高静动态性能的交流调换方法，具有一定的实践价值，给未来的研究思路提供了借鉴。

四、大量使用通用变频器

市场上那些系列化、批量化、目前在市场份额中占比最大的400KVA以下的小功率变频器就是我们常说的通用变频器，也就是第一代和第二代变频器。第一代变频器是普通功能型U/F控制型，第二代为高功能型的U/F控制型，较第一代在性能上有了很大的提高。第一代采用16位的CPU，第二代则采用32位DSP，或双16位CPU，也称为“无跳闸变频器”，这是因为二代产品采用了磁通和转差补偿器、电流限制器，新技术的融合使其具有了“无跳闸”能力。第三代产品为高动态性能矢量控制型，其参数设定可通过软件自动实现，还可实现结构控制和自适应控制以及闭环控制的自优化，可选择有速度传感器矢量控制、无速度传感器矢量控制、以及U/F左频率开环控制。从技术上看，在变频器的大量使用过程中，其可操作性、可靠性、可维修性也由于单片机控制技术的革新而得到极大的提高。

五、单片机、集成电路和工业控制计算机的不断开发完善

8位机功能简单，指令集短小，可靠性强，保密性高，这方面的最佳代表为MCS-51，在市场上占有主导地位。其适用于PIC系列单片机以及二系列单片机（GMS97C）。现在，单片机的新开发手段在不断地出现着，所使用的开发语言也由难懂的机器语言变为更加易于人的理解操作语言，比如汇编语言、模块化的C语言、PL/M语言等。

自动控制系统中运用非常广的是集成模拟乘法器、集成锁相和集成时基电路。电机控制方面多应用HEF4752、TL494、SLE4520和MA818来专门产生PWM控制信号。逻辑电路则采用专用芯片（ＡＳＩＣ）进行逻辑设计。有四种类型的器件组成ASIC中的逻辑阵列PLD：PROM、FPLA、PAL、GAL。可以在线性擦洗，能做到较快速的响应。

六结语

电力电子元件技术的快速发展以及广泛应用，给电力电器企业的生产能力带来了提升，自动化的生产是电力电器企业适应市场进程的必然要求。科技做为第一生产力的作用越加凸显。