電力電子技術在電子控制中的應用探索

張洪艷

朝陽工程技術學校 遼寧 朝陽122000

引言

電力電子技術的核心應用思路在于,使用電力電子器件(電力二極管、晶閘管、電力晶體管、GTO、IGBT 等)實現對電能的變換與控制。經過電力電子電路變換后的“電能”,其功率可達MW或GW級,也可以縮小至W以下。通常來說,單一的電子技術主要以信號處理為主。電力電子技術更多地用于電力變換及電子、電氣控制等方面。美國科學家W·Newell將該技術定義為:電力學、電子學和控制理論的交叉融合科學。

1 電力電子技術的發展歷程綜述

1.1 電力電子技術的主要作用 “電力電子學”作為一個專有名詞,產生于20世紀60年代。在發展的初期,人們對該詞匯的認識較為模糊,缺乏清晰的定義。直到1974年,美國科學家W·Newell引入如圖1所示的倒三角框架,對電力電子學進行了概括性的描述,即該學科由電子學、電力學、控制理論學科交叉衍生而來,具備三門傳統學科各自的特性,該技術在生產生活中能夠發揮如下作用:

圖1 電力電子技術與其他學科之間的關聯

(1)優化并改良電能的輸送及使用過程。電力電子技術的核心是控制和轉換電能,引導其合理、高效地投入使用,避免中間環節的能量損失,進而實現電能的最佳利用。在輕工業造紙、軋機冶煉、化工、感應加熱、電解等行業中應用該技術,節能幅度最低值可達10%;經過系統性設計后,最高值可超過40%。

(2)改造傳統電力行業,實現機電一體化,智能化。根據我國相關部門發布的權威統計結果,在未來,發電廠生產的95%以上占比的電能,必須經過電力電子技術的處理后,方可投入使用。此舉意味著人們日常生活中與用電有關的事項,幾乎無法脫離電力電子技術。因此,探索以弱電控制強電的有效方式,實現機電設備與計算機之間的有效互聯,并為傳統產業與新興產業之間利用微電子銜接技術創造足夠的條件。

(3)在高頻化及變頻化的發展過程中,機電設備傳統的工頻限制范圍必將得到突破;制約工作效率提升的諸多頑疾均會得到解決。大型機電設備的體積會按照數倍、數十倍的量級逐漸縮小;接收控制信號后,響應速度得到極大地提升。在這種控制運轉體系之下,基于微端控制器,即可實現針對“大型”機電設備的控制,并有較強的穩定性和抗干擾能力。

1.2 電力電子技術未來的發展趨勢 在不久的將來,電力電子技術必然向智能數字化深度發展,并在一定程度上使信息處理與功率處理統一,真正實現微電子技術與電力電子技術的深度融合。目前,部分業內人士已經提出,電力電子技術的發展,會在世界范圍內引發傳統電子技術的重大變革;電子控制具有準確、可靠、穩定等優勢,引入單片機以及各種計算機技術,也提升了電子控制系統的智能化水平,同時利用無線電遙控操作,還可以實現遠程控制,降低安全風險。

2 電力電子技術在電子控制中的應用探析

2.1 軟開關技術 軟開關是指基于軟開關技術,開關相應功能的過程。在理想狀態下,軟開關的實現過程為:①電流或電壓等參數首先降為“零”;②電流或電壓緩緩上升至斷態值。在此過程中,開關的損耗無限接近于零,即可延長電氣系統的使用壽命。此外,運用軟開關有助于促進功率變換器件的高頻化。實現軟開關技術,必須借助電力電子技術,其作用原理為:①開關過程前后,分別引入諧振;②開關閉合前,電壓首先降低至“零”;此時,電路處于“斷開連接”的狀態,故電流可視為“零”,或將整個過程視為“將電流降低為零”;經過該操作后,開關閉合過程中電壓、電流的“重疊”均會消失,進而引發變化率降低,最終使開關的損耗無限歸于零。此外,諧振期間,電壓及電流的變化率也受到了極大的限制,故開關過程產生的所有噪聲也會顯著減小[1]。例如,在跟蹤控制中,把預期設計的電壓和電流輸出波形充當基礎的命令信號,同時把實際電壓和電流波形當成一種反饋信號,通過比較分析兩者瞬時值,完成逆變電路不同功率開關器件開、關的控制工作,有效改變了實際跟蹤信號指令的輸出變化。

作為電力電子領域的代表技術,軟開關實際應用于電子控制的過程可參照智能照明回路的設置。一盞燈,其開啟時,并非啟動開關瞬間燈瞬時“點亮”,而是經過由“不亮”到“微亮”,再到“全亮”的緩慢過程;與之相對應的是,關燈的過程極其迅速,開關斷開的一瞬間,燈管光亮瞬間消失。此種現象也體現在家用電器中。比如傳統的電視機、PC個人計算機,按動開關的一瞬間,人們總會聽到明顯的震動聲音,似乎開關的閉合與汽車啟動時的“打火”較為類似。實質上,由于缺乏電力電子技術的緩沖,傳統的電視機等設備,在啟動及關閉的一瞬間,不僅消耗大量的電能,還會導致系統受到嚴重的震蕩。因此,傳統設備的使用壽命普遍較低。電力電子技術中由電容、電感、二極管、GTR等元件構成的緩沖電路,抑制電流和電壓的突變,改變器件的開關軌跡,把開關損耗從器件內部轉移到緩沖電路中去,然后再消耗到緩沖電路的電阻上,保證電路中的元器件安全運行。

2.2 基于模擬信號控制的PWM 技術PWM 技術是一種針對模擬信號電平進行數字編碼的方式。通過運用高分辨率計數器,使得方波的占空比被用于“調制”作用,進而對一個具體的模擬信號電平進行編碼。實質上,PWM 技術是利用微處理器的數字輸出過程,對模擬電路進行控制,其原理十分貼合電力電子技術中的“控制”與“轉換”。在交通指示燈控制系統中,路口停車線前埋設相應的環形感應器,感應器便可以把上方車輛通過所形成的數據順利傳輸至交通信號控制系統,隨后控制系統便可依據交叉路口的車輛通行狀況,對紅綠燈切換進行合理操控。

該技術的主要優點在于:①無論是處理器,還是被控系統的信號,均以數字形式呈現。在進行數字信號與模擬信號的轉換時,噪聲的影響幾乎不存在(例如某些智能設備,噪聲消除的根本原因雖然得益于硬件設備的提升,但噪聲的來源并非設備運行期間的磨損,而是信號以何種形式呈現)。從理論上來看,如果噪聲的強度達到將數字信號中設定的邏輯值“1”改變為邏輯“0”,則數字信號的傳輸質量必然受到影響。但在現有的技術水平下,該現象不可能出現。②PWM 技術應用于電子通信控制時,在模擬信號轉向PWM 信號的過程中,能夠大幅度地延長通信距離,使得噪聲產生的實際干擾力極低。到了接收端,只需借助LC或RC網絡,過濾掉調制的高頻方波,即可還原信號,解析其中蘊含的信息。由此可見,PWM的高效率變頻功能,幾乎實現了強電與弱電之間的“無障礙銜接”,且因PWM 能夠同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點,該技術在交流傳動以及其他能連變換系統中,均能發揮較大的作用[2]。

2.3 電力電子技術在電路保護裝置中的應用 電氣系統在運行的過程中,如果某一元件出現了故障,很可能造成電路短路,進一步擴大不良影響。常規的電子控制方式,在電路中設置基于傳感器的應急報警處理機制,一方面,將相關信息傳遞至計算機總控端;另一方面,立刻啟動熔斷器、直流快速斷路器等設備,將故障區域從系統整體中“摘除”。此種方式應用于傳統的大型機電系統時,能夠取得極佳的效果。但隨著電力電子技術的發展,如前文所述,機電設備的體積會呈幾何倍數縮減,功能及功率卻在不斷提升。因此,要解決這一問題,就要設計更加有效的保護電路,驅動電子控制信號,完成對電路的深層保護。如圖2所示,為“橋臂互鎖”式電路保護裝置構件示意圖。一旦電路中出現信號反復、傳輸延時等問題時,橋式逆變電路會自動啟動“橋臂短路”功能,其作用原理在于,在“不切斷故障區域”的情況下,完成對異常信號的清除,并利用“互鎖”的方式,連接橋臂,達到不傷害電路元器件的目的,并有效的防止短路現象。在電力電子技術的應用范疇內,電能得以轉化和控制。如在電子技術為核心的控制系統中,三極管、二極管、電容、電感、電阻、等電子元器件構成的集成電路,各個元件通過彼此依賴、互相作用,共同構成一種有機整體,最終實現預期控制目標。

圖2 基于PWM 技術的“橋臂互鎖”式電路保護裝置構建示意圖

結論

基于電子控制理論的分析,以弱電控制強電,在電力電子技術的應用范疇之內,電能可以得到定性和定量的轉化及控制,故“電子”與“電力”之間的區分正在逐漸朝向“模糊化”發展。盡管如此,不同的技術在具體應用時,仍然需要遵守各自的“規律”,探索電力電子技術在電子控制領域更多的應用方式,才能從根本上解決應用過程存在的問題。