電力電子技術(shù)問世至今，在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，尤其在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。工業(yè)控制系統(tǒng)如何在當(dāng)前進(jìn)行自主創(chuàng)新？關(guān)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(shù)以助力工業(yè)控制系統(tǒng)自主創(chuàng)新進(jìn)行認(rèn)真的思考。
在工業(yè)控制方面，電力電子技術(shù)主要應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、開關(guān)電源、可靠的供電技術(shù)和電能質(zhì)量控制技術(shù)。在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)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(jī)床的驅(qū)動和控制系統(tǒng)，這些技術(shù)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(dá)國家一樣，電力電子技術(shù)及電力電子裝置已日益廣泛地應(yīng)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(guān)系到上述領(lǐng)域中我國許多引進(jìn)技術(shù)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(lǐng)域的核心技術(shù)，擁有一批自主知識產(chǎn)權(quán)，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?，我們認(rèn)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(jìn)行研究技術(shù)做出貢獻(xiàn)等問題進(jìn)行認(rèn)真的思考。
工業(yè)控制中的典型應(yīng)用
變頻調(diào)速系統(tǒng)
在工業(yè)控制領(lǐng)域中，大部分使用的是交直流電動機(jī)，例如數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)、軋鋼機(jī)和礦山牽引、大型鼓風(fēng)機(jī)等等都采用電力電子變頻調(diào)速技術(shù)。變頻器是利用功率半導(dǎo)體器件將工頻電源開關(guān)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(diào)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(jī)運行，由于全球國家中用電量里面，占60%左右是通過電動機(jī)來消耗的，因此變頻器在提高電動機(jī)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(nèi)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(yīng)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(lǐng)域，通常場合下的電機(jī)調(diào)速均采用電力電子技術(shù)與電力傳動技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在異步電動機(jī)運轉(zhuǎn)時，需要使調(diào)壓和頻率調(diào)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(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)這一目標(biāo)。但一些高壓大功率的應(yīng)用（中高壓高性能電機(jī)驅(qū)動等）場合，依然是這一領(lǐng)域的技術(shù)制高點，仍在進(jìn)行不斷的研究。
高頻開關(guān)電源技術(shù)
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(dāng)把頻率從工頻提高后，用電設(shè)備的體積重量大大減少，基于此，對傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中的電鍍、電加工、充電等各種電源進(jìn)行改造，不僅材料成本可減少，還可達(dá)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(guān)電源及其技術(shù)，已逐步取代傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源。
電能質(zhì)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(jī)都是敏感負(fù)載，這些設(shè)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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)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(zhì)量。
工業(yè)控制系統(tǒng)中諧波的存在會導(dǎo)致異步電動機(jī)效率降低、噪聲增加、低壓開關(guān)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(shè)備的準(zhǔn)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(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，降低產(chǎn)品質(zhì)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(shè)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(shù)
在市電電網(wǎng)和用電負(fù)載之間通常設(shè)置了UPS(不間斷電源)，主要目的是改良供電的負(fù)載質(zhì)量，同時在市電出現(xiàn)故障時，確保負(fù)載設(shè)備能夠正常運行?，F(xiàn)代工業(yè)隨著發(fā)展，對于越來越復(fù)雜供電網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，在工業(yè)控制系統(tǒng)中特別是大型用電設(shè)備的啟動和停止、大規(guī)?？刂齐娏﹄娮釉O(shè)備的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)中的噪聲會對交流正弦波產(chǎn)生畸變。此外，雷電的性質(zhì)、接地網(wǎng)等因素影響著電源質(zhì)量，這些因素的影響可能導(dǎo)致控制丟失、數(shù)據(jù)丟失、計算機(jī)設(shè)備、精密儀器和與工業(yè)控制系統(tǒng)連接的設(shè)備停機(jī)和損壞。伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，相關(guān)電力電子設(shè)備斷電停機(jī)所帶來的損失也變得越來越嚴(yán)重。作為專門解決供電系統(tǒng)的問題應(yīng)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(shù)發(fā)展歷程
作為20世紀(jì)后期誕生的電力電子技術(shù)，是一項嶄新的也是對未來發(fā)展至關(guān)重要的技術(shù)，以電氣工程技術(shù)領(lǐng)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(xué)科。從學(xué)科角度來看，電力電子學(xué)的研究主要集中在電力電子器件電力半導(dǎo)體）器件、變換器拓?fù)浼捌淇刂坪碗娏﹄娮討?yīng)用系統(tǒng)上。電力電子的研究范圍與研究內(nèi)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(zhuǎn)換器技術(shù)，主要包括新型或適用于電力供應(yīng)、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(jī)仿真與建模等。
3.電力電子應(yīng)用技術(shù)，主要包括轉(zhuǎn)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(jìn)、電力電子系統(tǒng)故障分析與可靠性、電力電子系統(tǒng)復(fù)雜穩(wěn)定性和適應(yīng)性等方面的應(yīng)用。
4.電力電子系統(tǒng)集成，主要包括電力電子模塊的標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換和控制從轉(zhuǎn)換器和靜態(tài)離子轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為由轉(zhuǎn)換器時代組成的功率半導(dǎo)體器件開始。早在20世紀(jì)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(shù)真正得到飛速發(fā)展并被廣泛應(yīng)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(guān)斷晶晶閘管（gto）、電雙極晶體管（bjt）和電場效應(yīng)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(guān)速度得到了提高，現(xiàn)代電力電子的發(fā)展向著高頻技術(shù)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(jìn)了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用。當(dāng)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(dǎo)體復(fù)合器件的出現(xiàn)，表明已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電子電力技術(shù)發(fā)展時代。
電力電子技術(shù)可實現(xiàn)控制加節(jié)能，將“粗電”變?yōu)椤凹?xì)電”來用。近年來，美國高度應(yīng)用電力電子變頻技術(shù)對各種電機(jī)進(jìn)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(shù)，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(lǐng)域占很大比重，約50%的發(fā)電量用于電動機(jī)的驅(qū)動，電力能源中有40%～80%通過電力電子轉(zhuǎn)換再進(jìn)行利用。而我國與先進(jìn)國家總體能源利用效率差10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)達(dá)國家23%的平均水平，經(jīng)濟(jì)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(biāo)，迫切需要建立一個自主創(chuàng)新的、強大的、達(dá)到世界先進(jìn)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(shù)研究有50多年的歷史，已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但該領(lǐng)域科技發(fā)展速度太快，加之原有基礎(chǔ)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(yīng)用領(lǐng)域均沒將其作為研究重點。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，目前我們與國外先進(jìn)水平的差距還是很大的。當(dāng)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(shù)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(jìn)的全控型電力電子器件則全部依賴進(jìn)口，而關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)命脈和國家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)和軟硬件，國外均是對我國進(jìn)行控制和封鎖的。我們正面臨著國際競爭的嚴(yán)峻形勢，特別是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)命脈和國家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)與國外先進(jìn)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(wù)。
過去，我國國民經(jīng)濟(jì)各部門引進(jìn)了不少國外先進(jìn)技術(shù)，也強調(diào)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(dá)到國產(chǎn)化率70%的要求，可是只要我們仔細(xì)分析一下，就不難發(fā)現(xiàn)，最終國外公司拒絕轉(zhuǎn)讓的技術(shù)和重要部件，均是涉及到高技術(shù)的電力電子及電力傳動產(chǎn)品中的核心技術(shù)。
工業(yè)控制領(lǐng)域所涉及到的關(guān)鍵電力電子技術(shù)可概括為：大功率變流技術(shù)；電力電子及其系統(tǒng)控制技術(shù)；大功率逆變器并網(wǎng)技術(shù)；大功率全控電力電子器件和電力電子全數(shù)字控制技術(shù)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(nèi)不能制造；大功率變流器制造技術(shù)水平較低，裝置可靠性差；電力電子全數(shù)字控制技術(shù)水平還處于初級階段；應(yīng)用系統(tǒng)控制技術(shù)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(jìn)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(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中能夠達(dá)到高效節(jié)能的目的，具有很高的實用性，應(yīng)用范圍相當(dāng)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(shù)的發(fā)展，其必將為綠色工業(yè)提供更好的指導(dǎo)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(biāo)，迫切需要建立一個自主創(chuàng)新的、強大的、達(dá)到世界先進(jìn)水平的電力電子產(chǎn)業(yè)。
