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电子产品助力工控系统自主创新

行业聚焦点中国仪表网2015年10月26日 09:24人气:32005

  【中国仪表网 行业聚焦点】工控领域发展至今,如何通过自主创新找到新的发展之路成为了一个难题。而如今,随着电力电子技术问世,其对工控领域的影响也日益增强。那么,我们应该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、可靠供电技术以及电能质量治理技术等。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。
  
  国家中长期科学和技术发展规划纲要指出:“我国要在激烈的国际竞争中掌握主动权,就必须提高自主创新能力,在若干重要领域掌握一批核心技术,拥有一批自主知识产权,造就一批具有国际竞争力的企业。总之,必须把提高自主创新能力作为国家战略,大幅度提高国家竞争力。”所以,我们认为有必要从战略高度出发,就工业控制系统中如何在当前进行自主创新,为发展和振兴我国自主的电力电子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。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置,能实现对电机的软起动、变频调速、提高运转精度、提高功率因数等功能。变频器的功能很多,比如优化电机运行,全世界中用电量有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。在异步电动机运行时,需要同步进行调压和调频,使电机在获得良好的运行性能的同时保持控制的灵活性。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,还可达到节电的目的。目前,高频小型化的开关电源及其技术已成为现代工业控制系统中通信供电的主流,传统的相控式稳压电源已逐步被高频开关电源所取代。
  
  电能质量治理技术
  
  工业控制系统中常用的变压器和交流异步电动机等都属于感性负载,这些设备在运行时不仅消耗有功功率,而且还消耗无功功率。因此无功电源与有功电源一样,是保证电能不可缺少的部分。随着电力电子技术的进一步发展,逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器SVG。SVG根据检测的电网中的情况实时地发出或者吸收无功,减少了工业控制中电能传输的损耗,改善了工业控制系统的供电电压质量。
  
  工业控制系统中的谐波存在会造成异步电动机效率下降,噪声增大,使低压开关设备产生误动作,对工业自动化控制中的正常通讯造成干扰,影响计量设备的准确性。谐波的存在也会使电力变压器的铜损和铁损增加,直接影响变压器的使用容量和使用效率,还会造成变压器噪声增加,缩短变压器的使用寿命。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,即对产生谐波的电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波。另一种治理方法是装设谐波补偿装置,这对各种谐波源均适用,称为被动型谐波治理。
  
  可靠供电技术
  
  UPS(不间断电源)通常被置于市电电网和用电负载之间,其目的是改善对负载的供电质量,并在市电故障时,保证负载设备的正常运行。随着现代工业的发展,供电网络的负载越来越复杂,特别是工业控制系统中大型用电设备的启动和停止、大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变。另外,自然界的雷电、电网的接地不良等因素均影响到电网的供电质量。以上因素的影响可能会导致接在工业控制系统中的计算机设备、精密仪器设备发生失控﹑丢失数据﹑停机﹑损坏等严重后果,直接影响工业控制系统的正常工作,造成严重的经济损失。随着现代网络技术和信息产业的进一步发展,供电中断所带来的损失也变得越来越严重。UPS就是为了解决供电系统存在的问题应运而生的,至今已经历了几十年的发展历程。UPS不仅使供电无中断,而且还具有稳定输出电压和抗干扰等功能。
  
  电力电子技术发展历程
  
  电力电子技术是20世纪后期诞生并发展起来的一门崭新的技术,是以电力为处理对象并集电力、电子、控制三大电气工程技术领域的综合性学科。从学科角度来看,电力电子的主要研究集中在电力电子(功率半导体)器件、变流器拓扑及其控制和电力电子应用系统,实现对电、磁能量之间的变换、控制、传输和存储,以达到合理、高效地使用各种形式的电能,为人类提供高质量电能。电力电子的研究范围与研究内容主要包括:1.电力电子元器件及功率集成电路;2.电力电子变流技术,其研究内容主要包括新型的或适用于电源、节能及电力电子新能源利用,电力电子系统中的控制和计算机仿真、建模等;3.电力电子应用技术,其研究内容主要包括变流器在节能、可再生能源发电、钢铁、冶金、电力、电力牵引、舰船推进中的应用,电力电子系统故障分析和可靠性,复杂电力电子系统稳定性和适应性等;4.电力电子系统集成,其研究内容主要包括电力电子模块标准化,电力电子集成系统的稳定性、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,电能的变换和控制就开始了从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。虽然早在20世纪初就已经出现了可以控制电流的真空管和水银整流器,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闸管(GTO)、电力双极型晶体管(BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOS-FET)。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%,远超发达国家平均水平的23%,未来五年节能将成为国家支柱型战略新兴产业。
  
  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。高性能大功率变流装置目前几乎全部依靠进口。
  
  通过以上分析,可以看出电力电子技术能够实现工业控制系统上高效节能的目的,具有非常高的实用性,应用范围也相当广泛,在工业控制中很多方面已经开始发挥出重要的节能作用。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。
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