电力电子在工业控制领域的应用

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。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。

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?，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。