有关电力工程中电气自动化技术

有关电力工程中电气自动化技术探析摘要：我国电气自动化专业最早开设于 50年代，一开始名称为工业企业电气自动化，后来虽然经历了多次专业性的调整，但由于其专业面宽，适用性广，所以到如今一直很受欢迎，据教育部门最新公布的本科专业设置目录中，它属于工科电气信息类。本文中主要针对这类电气自动化技术的一些发展趋势进行探讨。

关键词：电力工程，电气自动化，自动化技术

l 全控型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― ctr、 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 zv ~ 4 . 5v , 开通 di /d t 和关断 dv / dt 也是限制 gto推广运用的另一原因，前者约为 500a /us ，后者约为 500v /u s ，这就需要一个庞大的吸收电路。

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 .5 v ~ 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 . 2 us一 04 us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（ mct ）是一种在它的单胞内集成了 mosfet 的品闸管，利用m os 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 ( powerl , lntegratcd cirrrrcute ) , 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。这种解耦，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。

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。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 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