電力電子在工業控制領域的應用

電力電子技術問世至今，在各行各業都有廣泛的應用，尤其在工業控制領域發揮著重要的作用。我國要真正實現工業控制系統中的自主創新、資源節約、環境友好這一系列目標，迫切需要建立一個自主創新的、強大的、達到世界先進水平的電力電子產業。

在工業控制方面，電力電子技術主要應用在電機驅動系統、開關電源、可靠供電技術以及電能質量治理技術等。在電力電子技術的基礎上實現的變流器及其控制系統，高精度可程控交、直流電源系統，高精度數控機床的驅動和控制系統，這些技術不但提高了工業制造精度和效率，更重要的是有效地降低了能耗，實現綠色工業。

我國與所有發達國家一樣，電力電子技術及電力電子裝置已日益廣泛地應用和滲透到工業控制系統中的各個角落，并且電力電子恰恰是關系到上述領域中我國許多引進技術中的核心所在。國家中長期科學和技術發展規劃綱要指出：“我國要在激烈的國際競爭中掌握主動權，就必須提高自主創新能力，在若干重要領域掌握一批核心技術，擁有一批自主知識產權，造就一批具有國際競爭力的企業。總之，必須把提高自主創新能力作為國家戰略，大幅度提高國家競爭力。”所以，我們認為有必要從戰略高度出發，就工業控制系統中如何在當前進行自主創新，為發展和振興我國自主的電力電子技術做出貢獻等問題進行認真的思考。

工業控制中的典型應用

變頻調速系統

在工業控制領域中，大部分使用的是交直流電動機，例如數控機床的伺服電機、軋鋼機和礦山牽引、大型鼓風機等等都采用電力電子變頻調速技術。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、提高功率因數等功能。變頻器的功能很多，比如優化電機運行，全世界中用電量有60%左右是通過電動機來消耗的，因此變頻器在提高電動機的電能利用率上有很大的作用。根據全球著名變頻器生產企業ABB的測算，該企業在全球范圍內已經安裝的變頻器每年就能夠節省1150億千瓦時電力，相應減少9700萬噸二氧化碳排放，這已經超過芬蘭一年的二氧化碳排放量。在一般的工業控制領域，通常場合下的電機調速均采用電力電子技術與電力傳動技術，目前該技術已經比較成熟。在異步電動機運行時，需要同步進行調壓和調頻，使電機在獲得良好的運行性能的同時保持控制的靈活性。目前主要通過交-直-交變頻調速系統來實現這一目標。但一些高壓大功率的應用（中高壓高性能電機驅動等）場合，依然是這一領域的技術制高點，仍在進行不斷的研究。

高頻開關電源技術

電氣產品的體積、重量與供電頻率的平方根成反比，所以當把頻率從工頻提高后，用電設備的體積重量大大減少，基于此，對傳統工業領域中的電鍍、電加工、充電等各種電源進行改造，不僅材料成本可減少，還可達到節電的目的。目前，高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代工業控制系統中通信供電的主流，傳統的相控式穩壓電源已逐步被高頻開關電源所取代。

電能質量治理技術

工業控制系統中常用的變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載，這些設備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此無功電源與有功電源一樣，是保證電能不可缺少的部分。隨著電力電子技術的進一步發展，逐步出現了應用變流技術進行動態無功補償的靜止補償器SVG。SVG根據檢測的電網中的情況實時地發出或者吸收無功，減少了工業控制中電能傳輸的損耗，改善了工業控制系統的供電電壓質量。

工業控制系統中的諧波存在會造成異步電動機效率下降，噪聲增大，使低壓開關設備產生誤動作，對工業自動化控制中的正常通訊造成干擾，影響計量設備的準確性。諧波的存在也會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用容量和使用效率，還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。這些問題都加大了工業控制系統中的電力運行成本，降低了供電的可靠性，引發供電事故的發生，導致設備無法正常工作，降低產品質量，影響通訊系統的正常工作。諧波污染治理可以分為兩種，—種是主動型諧波治理，即對產生諧波的電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波。另一種治理方法是裝設諧波補償裝置，這對各種諧波源均適用，稱為被動型諧波治理。

可靠供電技術

UPS(不間斷電源)通常被置于市電電網和用電負載之間，其目的是改善對負載的供電質?，并在市電故障時，保證負載設備的正常運行。隨著現代工業的發展，供電網絡的負載越來越復雜，特別是工業控制系統中大型用電設備的啟動和停止、大型可控電力電子設備的應用以及網絡內部噪聲會使交流正弦波發生畸變。另外，自然界的雷電、電網的接地不良等因素均影響到電網的供電質量。以上因素的影響可能會導致接在工業控制系統中的計算機設備、精密儀器設備發生失控﹑丟失數據﹑停機﹑損壞等嚴重后果，直接影響工業控制系統的正常工作，造成嚴重的經濟損失。隨著現代網絡技術和信息產業的進一步發展，供電中斷所帶來的損失也變得越來越嚴重。UPS就是為了解決供電系統存在的問題應運而生的，至今已經歷了幾十年的發展歷程。UPS不僅使供電無中斷，而且還具有穩定輸出電壓和抗干擾等功能。