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变频器在工业控制领域中的应用

发布时间:2020-06-29

电力电子技术问世至今,在各行各业都有广泛的应用,尤其在工业控制领域发挥着重要的作用。工业控制系统如何在当前进行自主创新?关于这个问题,我们有必要从战略高度出发,对发展和振兴我国自主电力电子技术以助力工业控制系统自主创新进行认真的思考。 

 

在工业控制方面,电力电子技术主要应用在电机驱动系统、开关电源、可靠的供电技术和电能质量控制技术。在电力电子技术的基础上实现的变流器及其控制系统,高精度可程控交、直流电源系统,高精度数控机床的驱动和控制系统,这些技术不但提高了工业制造精度和效率,更重要的是有效地降低了能耗,实现绿色工业。

 

 

我国与所有发达国家一样,电力电子技术及电力电子装置已日益广泛地应用和渗透到工业控制系统中的各个角落,并且电力电子恰恰是关系到上述领域中我国许多引进技术中的核心所在。


 

为了在的国际竞争的日益激烈局势下中发挥主动性,必须提高我国自主创新能力,掌握若干重要领域的核心技术,拥有一批自主知识产权,创建一批具有国际竞争力的企业。为了提高作为国家战略的国家核心科技竞争力,对于国家自主创新能力需求日益提高。”因此,我们认为,为了发展和振兴我国的自主电力电子产业,有必要从战略高度出发,对目前产业控制体系的自主创新进行研究技术做出贡献等问题进行认真的思考。


 

工业控制中的典型应用

 

变频调速系统

在工业控制领域中,大部分使用的是交直流电动机,例如数控机床的伺服电机、轧钢机和矿山牵引、大型鼓风机等等都采用电力电子变频调速技术。变频器是利用功率半导体器件将工频电源开关到另一个频率的功率控制装置,它可以实现软启动、变频调速、提高运行精度和功率因数。作为具备多种的功能的变频器,像例如优化电机运行,由于全球国家中用电量里面,占60%左右是通过电动机来消耗的,因此变频器在提高电动机的电能利用率上有很大的作用。根据全球著名变频器生产企业ABB的测算,该企业在全球范围内已经安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力,相应减少9700万吨二氧化碳排放,这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。在一般的工业控制领域,通常场合下的电机调速均采用电力电子技术与电力传动技术,目前该技术已经比较成熟。在异步电动机运转时,需要使调压和频率调制同步,在保持控制的灵活性的同时,得到良好的性能。目前主要通过交-直-交变频调速系统来实现这一目标。但一些高压大功率的应用(中高压高性能电机驱动等)场合,依然是这一领域的技术制高点,仍在进行不断的研究。


 


 

高频开关电源技术

电气产品的体积、重量与供电频率的平方根成反比,所以当把频率从工频提高后,用电设备的体积重量大大减少,基于此,对传统工业领域中的电镀、电加工、充电等各种电源进行改造,不仅材料成本可减少,还可达成对节能的需求。目前,作为现代工业控制系统中通信供电中占主流位置的小型化高频开关电源及其技术,已逐步取代传统的相控式稳压电源。


 

电能质量管理方法

工业控制系统中的普通变压器和交流异步电动机都是敏感负载,这些设备不仅消耗有功功率,而且消耗无功功率,因此,无功功率是功率不可缺少的组成部分。随着电力电子技术的进一步发展,应用于动态无功补偿的静态补偿器svg逐渐发展起来。svg可以根据检测到的电网状况实时传输或吸收无功功率,降低工业控制中的输电损耗,提高工业控制系统的供电电压质量。


 

工业控制系统中谐波的存在会导致异步电动机效率降低、噪声增加、低压开关柜误操作,干扰工业自动化控制中的正常通信,影响计量设备的准确性。谐波的存在会增加电力变压器的铜损和铁损,直接影响变压器的使用容量和使用效率,变压器噪声增加,变压器的寿命缩短。这些问题都加大了工业控制系统中的电力运行成本,降低了供电的可靠性,引发供电事故的发生,导致设备无法正常工作,降低产品质量,影响通讯系统的正常工作。谐波污染治理可以分为两种,—种是主动型谐波治理,即改造产生谐波的电力电子装置的本身,使谐波不再产生。装设谐波补偿装置是则另一种治理方案,这适用于各种谐波源,称为被动型谐波治理。


 


 

可靠供电技术

 

在市电电网和用电负载之间通常设置了UPS(不间断电源),主要目的是改良供电的负载质量,同时在市电出现故障时,确保负载设备能够正常运行。现代工业随着发展,对于越来越复杂供电网络负载,在工业控制系统中特别是大型用电设备的启动和停止、大规模控制电力电子设备的应用和网络中的噪声会对交流正弦波产生畸变。此外,雷电的性质、接地网等因素影响着电源质量,这些因素的影响可能导致控制丢失、数据丢失、计算机设备、精密仪器和与工业控制系统连接的设备停机和损坏。伴随网络技术与信息产业的高速发展,相关电力电子设备断电停机所带来的损失也变得越来越严重。作为专门解决供电系统的问题应运而生的UPS,经过了几十年的发展历程,UPS已经可以完成无中断电力供给,同时还具有的输出电压稳定和抗干扰等功能。


 

电力电子技术发展历程

作为20世纪后期诞生的电力电子技术,是一项崭新的也是对未来发展至关重要的技术,以电气工程技术领域中,通过对以电力为处理对象的电力、电子、控制的三大综合性学科。从学科角度来看,电力电子学的研究主要集中在电力电子器件电力半导体)器件、变换器拓扑及其控制和电力电子应用系统上。电力电子的研究范围与研究内容主要包括:

1.电力电子元件和电力集成电路;

2.电力电子转换器技术,主要包括新型或适用于电力供应、节能和电力电子新能源利用、电力电子系统控制和计算机仿真与建模等。

3.电力电子应用技术,主要包括转换器在节能、可再生能源发电、钢铁、冶金、动力、牵引、船舶推进、电力电子系统故障分析与可靠性、电力电子系统复杂稳定性和适应性等方面的应用。

4.电力电子系统集成,主要包括电力电子模块的标准化、电力电子集成系统的稳定性和可靠性。

 

从1958年美国GE公司研制出世界第一个工业普通晶闸管开始,电能的转换和控制从转换器和静态离子转换器转换为由转换器时代组成的功率半导体器件开始。早在20世纪初期就已经出现了真空管和控制电流的汞整流器,但电力电子技术真正得到飞速发展并被广泛应用,还是在硅整流器件诞生之后。硅整流器件包括从半控型晶闸管(SCR)到全控型的门极可关断晶晶闸管(gto)、电双极晶体管(bjt)和电场效应晶体管(epc)。随着硅整流器件的发展,电力电子器件的控制能力和开关速度得到了提高,现代电力电子的发展向着高频技术处理发展,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,在不断的发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。当前,以功率MOS-FET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的出现,表明已经进入现代电子电力技术发展时代。

 

 

电力电子技术可实现控制加节能,将“粗电”变为“细电”来用。近年来,美国高度应用电力电子变频技术对各种电机进行改造,使电能节约15%~25%左右,在日本,由于广泛使用变频技术,目前单位国民总值平均能耗居世界最低水平。最新数据显示,目前我国能源40%为电力能源,工业领域占很大比重,约50%的发电量用于电动机的驱动,电力能源中有40%~80%通过电力电子转换再进行利用。而我国与先进国家总体能源利用效率差10%,远远超过发达国家23%的平均水平,经济将在未来五年成为国家战略性新兴产业的支柱。

 

我国要真正实现工业控制系统中的自主创新、资源节约、环境友好这一系列目标,迫切需要建立一个自主创新的、强大的、达到世界先进水平的电力电子产业。

 

大力发展电子电力产业势在必行

虽然我国电力电子技术研究有50多年的历史,已经取得了一定的进展,但该领域科技发展速度太快,加之原有基础薄弱,特别是面临国外高科技冲击等方面的原因,我国电力电子有被“边缘化”的趋势,即各行各业都迫切需要,但是各应用领域均没将其作为研究重点。应当承认,目前我们与国外先进水平的差距还是很大的。当前存在的主要问题是:目前我国生产的大部分电力电子装置还主要基于晶闸管;虽然也能制造一些高技术的电力电子产品和装置,但是它们均是采用国外生产的电力电子器件和组件以组装集成的方式制造的;特别是先进的全控型电力电子器件则全部依赖进口,而关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术和软硬件,国外均是对我国进行控制和封锁的。我们正面临着国际竞争的严峻形势,特别是关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术与国外先进水平的差距更大,迅速改变这一现状是我们面临的挑战和义不容辞的任务。

 

过去,我国国民经济各部门引进了不少国外先进技术,也强调了国产化的问题,尽管它们中的绝大多数几年后都可以达到国产化率70%的要求,可是只要我们仔细分析一下,就不难发现,最终国外公司拒绝转让的技术和重要部件,均是涉及到高技术的电力电子及电力传动产品中的核心技术。

 

工业控制领域所涉及到的关键电力电子技术可概括为:大功率变流技术;电力电子及其系统控制技术;大功率逆变器并网技术;大功率全控电力电子器件和电力电子全数字控制技术等。与国外的主要差距和存在的问题是:全控电力电子器件国内不能制造;大功率变流器制造技术水平较低,装置可靠性差;电力电子全数字控制技术水平还处于初级阶段;应用系统控制技术和系统控制软件水平较低;缺乏重大工程经验积累等。目前几乎全部通过进口来购买高性能大功率变流装置。

通过以上分析可以看出,电力电子技术在工业控制系统中能够达到高效节能的目的,具有很高的实用性,应用范围相当广泛,在工业控制的许多方面已经开始在节能中发挥重要作用。随着电力电子技术的发展,其必将为绿色工业提供更好的指导和更强的动力,为节能减排创造更广阔的发展空间,从而造福全社会。我国要真正实现工业控制系统中的自主创新、资源节约、环境友好这一系列目标,迫切需要建立一个自主创新的、强大的、达到世界先进水平的电力电子产业。