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電力電子技術問世至今，在各行各業(yè)都有廣泛的應用，尤其在工業(yè)控制領域發(fā)揮著重要的作用。工業(yè)控制系統(tǒng)如何在當前進行自主創(chuàng)新？關于這個問題，我們有必要從戰(zhàn)略高度出發(fā)，對發(fā)展和振興我國自主電力電子技術以助力工業(yè)控制系統(tǒng)自主創(chuàng)新進行認真的思考。
在工業(yè)控制方面，電力電子技術主要應用在電機驅動系統(tǒng)、開關電源、可靠的供電技術和電能質量控制技術。在電力電子技術的基礎上實現(xiàn)的變流器及其控制系統(tǒng)，高精度可程控交、直流電源系統(tǒng)，高精度數(shù)控機床的驅動和控制系統(tǒng)，這些技術不但提高了工業(yè)制造精度和效率，更重要的是有效地降低了能耗，實現(xiàn)綠色工業(yè)。
我國與所有發(fā)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(yè)控制系統(tǒng)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。
為了在的國際競爭的日益激烈局勢下中發(fā)揮主動性，必須提高我國自主創(chuàng)新能力，掌握若干重要領域的核心技術，擁有一批自主知識產(chǎn)權，創(chuàng)建一批具有國際競爭力的企業(yè)。為了提高作為國家戰(zhàn)略的國家核心科技競爭力，對于國家自主創(chuàng)新能力需求日益提高?！币虼耍覀冋J為，為了發(fā)展和振興我國的自主電力電子產(chǎn)業(yè)，有必要從戰(zhàn)略高度出發(fā)，對目前產(chǎn)業(yè)控制體系的自主創(chuàng)新進行研究技術做出貢獻等問題進行認真的思考。
工業(yè)控制中的典型應用
變頻調速系統(tǒng)
在工業(yè)控制領域中，大部分使用的是交直流電動機，例如數(shù)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。變頻器是利用功率半導體器件將工頻電源開關到另一個頻率的功率控制裝置，它可以實現(xiàn)軟啟動、變頻調速、提高運行精度和功率因數(shù)。作為具備多種的功能的變頻器，像例如優(yōu)化電機運行，由于全球國家中用電量里面，占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(jù)全球著名變頻器生產(chǎn)企業(yè)ABB的測算，該企業(yè)在全球范圍內已經(jīng)安裝的變頻器每年就能夠節(jié)省1150億千瓦時電力，相應減少9700萬噸二氧化碳排放，這已經(jīng)超過芬蘭一年的二氧化碳排放量。在一般的工業(yè)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(jīng)比較成熟。在異步電動機運轉時，需要使調壓和頻率調制同步，在保持控制的靈活性的同時，得到良好的性能。目前主要通過交-直-交變頻調速系統(tǒng)來實現(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)工業(yè)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，還可達成對節(jié)能的需求。目前，作為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中通信供電中占主流位置的小型化高頻開關電源及其技術，已逐步取代傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源。
電能質量管理方法
工業(yè)控制系統(tǒng)中的普通變壓器和交流異步電動機都是敏感負載，這些設備不僅消耗有功功率，而且消耗無功功率，因此，無功功率是功率不可缺少的組成部分。隨著電力電子技術的進一步發(fā)展，應用于動態(tài)無功補償?shù)撵o態(tài)補償器svg逐漸發(fā)展起來。svg可以根據(jù)檢測到的電網(wǎng)狀況實時傳輸或吸收無功功率，降低工業(yè)控制中的輸電損耗，提高工業(yè)控制系統(tǒng)的供電電壓質量。
工業(yè)控制系統(tǒng)中諧波的存在會導致異步電動機效率降低、噪聲增加、低壓開關柜誤操作，干擾工業(yè)自動化控制中的正常通信，影響計量設備的準確性。諧波的存在會增加電力變壓器的銅損和鐵損，直接影響變壓器的使用容量和使用效率，變壓器噪聲增加，變壓器的壽命縮短。這些問題都加大了工業(yè)控制系統(tǒng)中的電力運行成本，降低了供電的可靠性，引發(fā)供電事故的發(fā)生，導致設備無法正常工作，降低產(chǎn)品質量，影響通訊系統(tǒng)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，即改造產(chǎn)生諧波的電力電子裝置的本身，使諧波不再產(chǎn)生。裝設諧波補償裝置是則另一種治理方案，這適用于各種諧波源，稱為被動型諧波治理。
可靠供電技術
在市電電網(wǎng)和用電負載之間通常設置了UPS(不間斷電源)，主要目的是改良供電的負載質量，同時在市電出現(xiàn)故障時，確保負載設備能夠正常運行?，F(xiàn)代工業(yè)隨著發(fā)展，對于越來越復雜供電網(wǎng)絡負載，在工業(yè)控制系統(tǒng)中特別是大型用電設備的啟動和停止、大規(guī)模控制電力電子設備的應用和網(wǎng)絡中的噪聲會對交流正弦波產(chǎn)生畸變。此外，雷電的性質、接地網(wǎng)等因素影響著電源質量，這些因素的影響可能導致控制丟失、數(shù)據(jù)丟失、計算機設備、精密儀器和與工業(yè)控制系統(tǒng)連接的設備停機和損壞。伴隨網(wǎng)絡技術與信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，相關電力電子設備斷電停機所帶來的損失也變得越來越嚴重。作為專門解決供電系統(tǒng)的問題應運而生的UPS，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展歷程，UPS已經(jīng)可以完成無中斷電力供給，同時還具有的輸出電壓穩(wěn)定和抗干擾等功能。
電力電子技術發(fā)展歷程
作為20世紀后期誕生的電力電子技術，是一項嶄新的也是對未來發(fā)展至關重要的技術，以電氣工程技術領域中，通過對以電力為處理對象的電力、電子、控制的三大綜合性學科。從學科角度來看，電力電子學的研究主要集中在電力電子器件電力半導體）器件、變換器拓撲及其控制和電力電子應用系統(tǒng)上。電力電子的研究范圍與研究內容主要包括：
1.電力電子元件和電力集成電路；
2.電力電子轉換器技術，主要包括新型或適用于電力供應、節(jié)能和電力電子新能源利用、電力電子系統(tǒng)控制和計算機仿真與建模等。
3.電力電子應用技術，主要包括轉換器在節(jié)能、可再生能源發(fā)電、鋼鐵、冶金、動力、牽引、船舶推進、電力電子系統(tǒng)故障分析與可靠性、電力電子系統(tǒng)復雜穩(wěn)定性和適應性等方面的應用。
4.電力電子系統(tǒng)集成，主要包括電力電子模塊的標準化、電力電子集成系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
從1958年美國GE公司研制出世界第一個工業(yè)普通晶閘管開始，電能的轉換和控制從轉換器和靜態(tài)離子轉換器轉換為由轉換器時代組成的功率半導體器件開始。早在20世紀初期就已經(jīng)出現(xiàn)了真空管和控制電流的汞整流器，但電力電子技術真正得到飛速發(fā)展并被廣泛應用，還是在硅整流器件誕生之后。硅整流器件包括從半控型晶閘管(SCR)到全控型的門極可關斷晶晶閘管（gto）、電雙極晶體管（bjt）和電場效應晶體管（epc）。隨著硅整流器件的發(fā)展，電力電子器件的控制能力和開關速度得到了提高，現(xiàn)代電力電子的發(fā)展向著高頻技術處理發(fā)展，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，在不斷的發(fā)展中促進了現(xiàn)代電力電子技術的廣泛應用。當前，以功率MOS-FET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件的出現(xiàn)，表明已經(jīng)進入現(xiàn)代電子電力技術發(fā)展時代。
電力電子技術可實現(xiàn)控制加節(jié)能，將“粗電”變?yōu)椤凹氹姟眮碛谩＝陙?，美國高度應用電力電子變頻技術對各種電機進行改造，使電能節(jié)約15%～25%左右，在日本，由于廣泛使用變頻技術，目前單位國民總值平均能耗居世界最低水平。最新數(shù)據(jù)顯示，目前我國能源40%為電力能源，工業(yè)領域占很大比重，約50%的發(fā)電量用于電動機的驅動，電力能源中有40%～80%通過電力電子轉換再進行利用。而我國與先進國家總體能源利用效率差10%，遠遠超過發(fā)達國家23%的平均水平，經(jīng)濟將在未來五年成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的支柱。
我國要真正實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)中的自主創(chuàng)新、資源節(jié)約、環(huán)境友好這一系列目標，迫切需要建立一個自主創(chuàng)新的、強大的、達到世界先進水平的電力電子產(chǎn)業(yè)。
大力發(fā)展電子電力產(chǎn)業(yè)勢在必行
雖然我國電力電子技術研究有50多年的歷史，已經(jīng)取得了一定的進展，但該領域科技發(fā)展速度太快，加之原有基礎薄弱，特別是面臨國外高科技沖擊等方面的原因，我國電力電子有被“邊緣化”的趨勢，即各行各業(yè)都迫切需要，但是各應用領域均沒將其作為研究重點。應當承認，目前我們與國外先進水平的差距還是很大的。當前存在的主要問題是：目前我國生產(chǎn)的大部分電力電子裝置還主要基于晶閘管；雖然也能制造一些高技術的電力電子產(chǎn)品和裝置，但是它們均是采用國外生產(chǎn)的電力電子器件和組件以組裝集成的方式制造的；特別是先進的全控型電力電子器件則全部依賴進口，而關系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術和軟硬件，國外均是對我國進行控制和封鎖的。我們正面臨著國際競爭的嚴峻形勢，特別是關系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術與國外先進水平的差距更大，迅速改變這一現(xiàn)狀是我們面臨的挑戰(zhàn)和義不容辭的任務。
過去，我國國民經(jīng)濟各部門引進了不少國外先進技術，也強調了國產(chǎn)化的問題，盡管它們中的絕大多數(shù)幾年后都可以達到國產(chǎn)化率70%的要求，可是只要我們仔細分析一下，就不難發(fā)現(xiàn)，最終國外公司拒絕轉讓的技術和重要部件，均是涉及到高技術的電力電子及電力傳動產(chǎn)品中的核心技術。
工業(yè)控制領域所涉及到的關鍵電力電子技術可概括為：大功率變流技術；電力電子及其系統(tǒng)控制技術；大功率逆變器并網(wǎng)技術；大功率全控電力電子器件和電力電子全數(shù)字控制技術等。與國外的主要差距和存在的問題是：全控電力電子器件國內不能制造；大功率變流器制造技術水平較低，裝置可靠性差；電力電子全數(shù)字控制技術水平還處于初級階段；應用系統(tǒng)控制技術和系統(tǒng)控制軟件水平較低；缺乏重大工程經(jīng)驗積累等。目前幾乎全部通過進口來購買高性能大功率變流裝置。
通過以上分析可以看出，電力電子技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中能夠達到高效節(jié)能的目的，具有很高的實用性，應用范圍相當廣泛，在工業(yè)控制的許多方面已經(jīng)開始在節(jié)能中發(fā)揮重要作用。隨著電力電子技術的發(fā)展，其必將為綠色工業(yè)提供更好的指導和更強的動力，為節(jié)能減排創(chuàng)造更廣闊的發(fā)展空間，從而造福全社會。我國要真正實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)中的自主創(chuàng)新、資源節(jié)約、環(huán)境友好這一系列目標，迫切需要建立一個自主創(chuàng)新的、強大的、達到世界先進水平的電力電子產(chǎn)業(yè)。
