电气自动化技术在电力系统中的运用浅谈.doc

文章来源：电气自动化技术在电力系统中的运用浅谈摘要: 本文主要针对全控型的电力电子开关、交流调速控制、变换器电路、单片机、通用变频器、集成电路以及工业控制计算机的发展的多个方面进行了论述了，并阐述了电气自动化技术在电力系统中的广泛应用。关键词: 交流调速控制；变换器; 单片机； 电力系统； 电气自动化前 言在我国50 年代时期，电气自动化专业已经在各大高校开设科目, 当时被称为工业企业电气自动化。虽然经过了多次比较大的专业调整, 但是因为这个专业面比较宽, 适用性很厂, 所以一直到现在仍然是处于蓬勃发展的阶段。根据教育部最新所公布的本科专业的设置目录, 它主要是属于工科电气信息类的。它的新名称为电气共程及其自动化伴随着电力电子技术和微电子信息技术的飞速发展, 传统的电力传动(电子拖动)控制概念已不可能充分描述出现代生产自动化系统当中所承担流水线工作的全部控制设备。并且 电力拖动的控制业已走出了工厂，在农场、交通、办公室和家用电器等多个领域都获得了较为广泛的运用。它主要的研究对象已经发展成为运动控制系统。1 全控型的电力电子开关要逐渐取代半控型的晶闸管在50年代末期，出现了晶闸管，这标志着运动控制走进了一个的新纪元。它是现在第一代的电子电子元器件, 目前在我国现在仍在广泛使用，它主要被用于直流与交流的传动控制系统当中。伴随着交流变频技术的不断兴起, 社会上相继出现了全控式的电力电子器件GTO、GTR、P- MOSEFT 等。这就是第二代的电力电子器件。因为现阶段所能生产的电流/电压的定额和开关的时间是不尽相同的, 所以各种器件的应用范围也不相同。目前，市场上出现了GTR的二次击穿现象和它的安全工作区因受各种参数的影响而出现变化和热容量小、过流能力比较低等多个问题, 这就使得人们不得不把主要的精力放在不同特性的设计上来，根据这些特性设计出合适的驱动电路和保护电路, 这也就导致现在的电路比较复杂并且难以掌握。GTO 是一个采用门极并且可以关断的高压器件, 它本身主要的缺点是关断增益相对较低, 一般是 45, 这样就要求一个相对较大的关断驱动电路, 并且它自身的通态压降与普通 晶闸管相比较高 , 大约是 24.5V, 开通di/dt与关断dv/dt也主要为了限制 GTO 的推广与运用, 前者大约是500A/s , 而后者大约是 500V/s , 这样就必然需要一个较大的吸收电路。因 GTO 、GTR等这种类型的双极性全控性器件需要有很大的控制电流, 所以这会使门极控制的电路异常庞大, 进而推动产生新一代的具有较高输入阻抗并且为MOS结构的电力半导体器件。MOSFET主要被当做是一种电压驱动器件, 它基本上是不需要有稳定的驱动电流的, 它的电路只要能在器件开通的时候提供相应的容性充电电流, 在器件关断的时候提供放电电流即可, 所以这样的驱动电路是很简单的。并且它的开关时间也是很短的, 安全工作区也是十分稳定的, 然而P- MOSFET 的通态电压将随着它本身额定电压的增加而出现成倍的增大, 这就给P- MOSFET 带来了巨大的困难。2 变换器电路从低频向高频方向发展伴随着我国电力电子器件的逐步更新, 主要由它所组成的变换器电路也将会出现换代。传统使用普通的晶闸管时, 采用直流进行传功的变换器主要是相控整流, 然而交流变频动的方式主要是交一直一交从而实现变频器的。在电力电子器件进人第二代变频器以后, 更多变频器采用了 PWM 变换器，在采用 这种方式后,功率因数得到了明显的提高,高次谐波对电网的影响也得到了明显的减小, 这就解决了在低频区的电动机自身出现的转矩脉动问题。然而 由PWM 逆变器当中的电流、电压的谐波分量所产生的转矩脉动作用在了电动机的定转子上, 这会使电机的绕组产生振动从而发出巨大噪声。目前有几个方法可以用来解决这个问题, 一种方法主要是提高开关的频率, 这样可以使开关的频率超过人耳所能够感受到的范围, 但是由于电力电子器件长期处于高电压大电流的情况下，经常导通或者关断, 会使开关的损耗很大。在1986 年，美国威斯康星大学的Divan 教授首先提出了谐振式直流环逆变器。以往的逆变器主要是使用在稳定的直流母线上面, 它上面的电力电子器件通常是在高电压的状况下进行转换的“硬开关”,这样会导致开关的损耗较大,从而限制了开关在频率上面的提高。然而谐夺式的直流环逆变器主要是将逆变器使用在高频振荡过零位置上的谐振路上, 这可以使电力电子器件在零电压或者零电流状况下进行转换, 也就是电子元件工作在“软开关”的状态下, 使开关的损耗降低到零位。只有这样才可以使逆器的尺寸减少, 从而降低相应的成本指出, 还可以在较高的功率上使逆变器进行集成。所以, 谐振式直流逆变器的电路非常有发展前途。3 交流调速控制理论日渐成熟矢量控制的主导思想主要是仿照着直流电动机的控制方式,将定子电流的磁场分量与转矩分量进行解祸, 并且分别给以控制。这种解藕的意思是将异步电动机的物理模型用其它方法等效地转换成与直流电动机类似的模式, 并且这种等效变换主要是通过对坐标变换来实现的。它必须检测当时转子磁链的方向, 并且需要确定转子的参数, 尤其是转子所受回路时间常数的影响。考虑到矢量旋转变换比较复杂, 从而导致了实际的控制效果要远远难以达到理论的分析结果。大体上来讲, 直接的转矩控制, 主要是采用空间矢量的分析方法, 在定子坐标系下直接进行分析计算和控制电动机的转矩的。它是采用定子磁场来进行定向的, 并且借助离散的两点式调节 ( Band- Band 控制) 从而产生了PwM 信号, 并且可以直接对逆变器的开关状态实现最佳的控制, 从而得到电机转矩的高动态的性能。它主要省略掉了那些复杂的矢量变换和电动数学模型, 从而极大地减少了矢量控制过程当中的控制性能参数容易受到参数变化从而产生影响的问题, 不考虑通常使用的 PWM信号发生器。这样的控制思想相对较新颖,并且控制结构比较简单, 控制手段非常直接, 信号处理的物理概念也相对明确, 转矩响应通常比较迅速, 一般均被限制在一拍之内, 并且没有出现超调现象, 它成为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实用一般意义上讲，我们所指的通用变频器包括了批量化、系列化、市场占有量比较大的中小功率，比如400KVA 以下的变频器。由产品来看, 第一代的变频器是具有普通功能的如U/F 控制型, 多数采用的是16 位的CPU, 而第二代的变频器主要是高功能的 U/F 型, 这种类型的变频器主要是采用了 32 位 的DSP, 或者是采用了双 16 位的 CPU 来进行控制, 并且采用了转差补偿器、磁通补偿器和电流限制拄制器等. 具有挖上机和“无跳闸”功能的变频器 通常也被称作为“无跳闸变频器”。目前，这类变频器占据着较大的市场份额，第三代变频器为高动态性能矢量控制型。它主要是采用全数字化来进行控制的, 并且可以通过相关软件来实现参数的自动设定, 来实现变结构的控制和自适应的控制, 也可以选择无速度传感器矢幼控制、U/F左频率开环控制和有速度传感器矢量控制,，从而实现闭环控制的自动优化。从变频技术的发展方面来看, 电力半导体器件主要有GTR、GTO、IGBT, 但是目前主要是以后两种为主, 尤其是以 IGB为主要的发展趋势: 变频器的可维修性、可靠性、可操作性也就是所谓的 RAS(Reliabiliry,Availability,Servicebility) 功能也将由于采用了单片机的控制动技术而实现相应的提高。5 集成电路、单片机及工控计算机的发展以MCS- 51 为主要代表的8位机在目前虽然仍占据着主导地位, 但是它的功能非常简单, 并且指令集比较短小，但因其可靠性高, 保密性好, 从而适合大批量地用于生产PIC系列的单片机以及GMS97C。在上述的集成电路方面, 必须重点进行说明的应当是集成模拟乘法器、集成锁相环路以及集成时的基电路在自动控制系统当中的运用。在电机的控制方面, 还有专门用于产生 PWM 型控制信号的TL494、 HEF4752、MA818 和SLE4520等，这些的应用也比较广泛。在上述的逻辑电路方面, 值得我们注意的是需要采用专用的芯片(ASIC)来进行逻辑电路设计。ASIC(Appilca-tion Specificl, Integrated Circuit 当中含有编程逻辑阵列PLD(Programmable Logic Device)。PLD目前包括了四种类型的器件: FPLA、PROM、GAL、PAL。GAL是目前PAL的第二代的产品, 它可以实现在线的电擦洗,并且可以与TTL兼容使用, 它有很高的响应速度, 并且它还有可编程的保密位等多个优点。这些优点可使得GAL在减少系统造价, 降低产品的体积和功耗, 提高产品的可靠性和稳定性、简化系统的设计, 增强应用的保密性等多个方面有广大的发展前景, 尤其是适合新产品的研制、DMA 控制以及高速图表的处理。上面所描述的对交流的控制最终还需要用工业控制的计算机来进行完成。6 综合自动化技术发展趋势6.1控制、保护、测量一体化目前，鉴于人员配备、运行体制、专业分工的不同，我国设计的自动化系统主要是采用在站内进行监控和采集数据的，从而保护了系统的相对独立的模式，用以提供较为清晰的事故分析与处理的相关界面。然而从减少设备重复配置、技术的合理性、简化维护工作量以及系统的发展趋势等多个方面来考虑，可以将保护和控制、测量等方面结合在一起，这样会更能体现出它的优势。由于控制和保护、测量用到的信息源主要均是来自于现场：保护的是设备的主要故障的异常状态信息的采集，这个通常是要求测量状态信息的范围比较宽，一般主要是按照额定值来考虑的，但是对测量精度的要求比较低；然而测量和控制主要是采集运行的状态信息，并要求测量的范围比较窄，通常情况下在测量的额定值附近都会出现明显的波动，然而测量的精度要求则是较高。总控（CPU）单元是直接地接受来自上位机（当地）或者是远方控制的输出命令，在经过必要的校核之后方可直接执行动作至回路保护，这样就可以省去遥控输出、遥控执行等多个环节，从而简化了不必要的设备投入，提高了设备的可靠性。6.2 国际标准的应用近几年来，IED 电力自动化方面也出现了广泛地应用。为了实现各个厂家的IED 设备的信息共享与互相操作，使得厂站的电气综合自动化系统成为主要的开发系统，而后国际的电工委员会也制定了IEC61850 国际标准，用于规范这一系统。为了使我国与国际接轨，国内目前已经开始了按照IEC61850 标准来进行的电气综合自动化系统的研发。6.3 现代计算机技术的推广现代计算机技术作为信息处理技术当中的一项主要技术。它包含在计算机技术当中, 它主要的表现是在计算机网络系统中, 它正沿着并行处理分布式的方向迅速发展。目前，计算机技术已经广泛地应用到了智能建筑的当中, 它以通信管理、信息、控制等多个方式在智能建筑OAS、CNS、BAS 当中起到了重要作用，从而构成了主干告诉网络技术，主要有快速FDDI、以太网、ATM以及各种类型的快速网络互连设备等等。一般的局域网主要是采用以太网或者是环型令牌网等为主的, 主要是用以满足建筑物内部多个业务的需要的信息传输与交换。智能建筑的对外界通信的主要网络是运用局域网或者是Internet 等广域网来共同承担建筑的计算机网络。多媒体技术、计算机技术以及通信技术的结合技术正在向家庭办公的方向迈进。7 结束语伴随着电力电子技术和微电子信