张洪艳

朝阳工程技术学校 辽宁 朝阳122000

引言

电力电子技术的核心应用思路在于,使用电力电子器件(电力二极管、晶闸管、电力晶体管、GTO、IGBT 等)实现对电能的变换与控制。经过电力电子电路变换后的“电能”,其功率可达MW或GW级,也可以缩小至W以下。通常来说,单一的电子技术主要以信号处理为主。电力电子技术更多地用于电力变换及电子、电气控制等方面。美国科学家W·Newell将该技术定义为:电力学、电子学和控制理论的交叉融合科学。

1 电力电子技术的发展历程综述

1.1 电力电子技术的主要作用 “电力电子学”作为一个专有名词,产生于20世纪60年代。在发展的初期,人们对该词汇的认识较为模糊,缺乏清晰的定义。直到1974年,美国科学家W·Newell引入如图1所示的倒三角框架,对电力电子学进行了概括性的描述,即该学科由电子学、电力学、控制理论学科交叉衍生而来,具备三门传统学科各自的特性,该技术在生产生活中能够发挥如下作用:

图1 电力电子技术与其他学科之间的关联

(1)优化并改良电能的输送及使用过程。电力电子技术的核心是控制和转换电能,引导其合理、高效地投入使用,避免中间环节的能量损失,进而实现电能的最佳利用。在轻工业造纸、轧机冶炼、化工、感应加热、电解等行业中应用该技术,节能幅度最低值可达10%;经过系统性设计后,最高值可超过40%。

(2)改造传统电力行业,实现机电一体化,智能化。根据我国相关部门发布的权威统计结果,在未来,发电厂生产的95%以上占比的电能,必须经过电力电子技术的处理后,方可投入使用。此举意味着人们日常生活中与用电有关的事项,几乎无法脱离电力电子技术。因此,探索以弱电控制强电的有效方式,实现机电设备与计算机之间的有效互联,并为传统产业与新兴产业之间利用微电子衔接技术创造足够的条件。

(3)在高频化及变频化的发展过程中,机电设备传统的工频限制范围必将得到突破;制约工作效率提升的诸多顽疾均会得到解决。大型机电设备的体积会按照数倍、数十倍的量级逐渐缩小;接收控制信号后,响应速度得到极大地提升。在这种控制运转体系之下,基于微端控制器,即可实现针对“大型”机电设备的控制,并有较强的稳定性和抗干扰能力。

1.2 电力电子技术未来的发展趋势 在不久的将来,电力电子技术必然向智能数字化深度发展,并在一定程度上使信息处理与功率处理统一,真正实现微电子技术与电力电子技术的深度融合。目前,部分业内人士已经提出,电力电子技术的发展,会在世界范围内引发传统电子技术的重大变革;电子控制具有准确、可靠、稳定等优势,引入单片机以及各种计算机技术,也提升了电子控制系统的智能化水平,同时利用无线电遥控操作,还可以实现远程控制,降低安全风险。

2 电力电子技术在电子控制中的应用探析

2.1 软开关技术 软开关是指基于软开关技术,开关相应功能的过程。在理想状态下,软开关的实现过程为:①电流或电压等参数首先降为“零”;②电流或电压缓缓上升至断态值。在此过程中,开关的损耗无限接近于零,即可延长电气系统的使用寿命。此外,运用软开关有助于促进功率变换器件的高频化。实现软开关技术,必须借助电力电子技术,其作用原理为:①开关过程前后,分别引入谐振;②开关闭合前,电压首先降低至“零”;此时,电路处于“断开连接”的状态,故电流可视为“零”,或将整个过程视为“将电流降低为零”;经过该操作后,开关闭合过程中电压、电流的“重叠”均会消失,进而引发变化率降低,最终使开关的损耗无限归于零。此外,谐振期间,电压及电流的变化率也受到了极大的限制,故开关过程产生的所有噪声也会显著减小[1]。例如,在跟踪控制中,把预期设计的电压和电流输出波形充当基础的命令信号,同时把实际电压和电流波形当成一种反馈信号,通过比较分析两者瞬时值,完成逆变电路不同功率开关器件开、关的控制工作,有效改变了实际跟踪信号指令的输出变化。

作为电力电子领域的代表技术,软开关实际应用于电子控制的过程可参照智能照明回路的设置。一盏灯,其开启时,并非启动开关瞬间灯瞬时“点亮”,而是经过由“不亮”到“微亮”,再到“全亮”的缓慢过程;与之相对应的是,关灯的过程极其迅速,开关断开的一瞬间,灯管光亮瞬间消失。此种现象也体现在家用电器中。比如传统的电视机、PC个人计算机,按动开关的一瞬间,人们总会听到明显的震动声音,似乎开关的闭合与汽车启动时的“打火”较为类似。实质上,由于缺乏电力电子技术的缓冲,传统的电视机等设备,在启动及关闭的一瞬间,不仅消耗大量的电能,还会导致系统受到严重的震荡。因此,传统设备的使用寿命普遍较低。电力电子技术中由电容、电感、二极管、GTR等元件构成的缓冲电路,抑制电流和电压的突变,改变器件的开关轨迹,把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去,然后再消耗到缓冲电路的电阻上,保证电路中的元器件安全运行。

2.2 基于模拟信号控制的PWM 技术PWM 技术是一种针对模拟信号电平进行数字编码的方式。通过运用高分辨率计数器,使得方波的占空比被用于“调制”作用,进而对一个具体的模拟信号电平进行编码。实质上,PWM 技术是利用微处理器的数字输出过程,对模拟电路进行控制,其原理十分贴合电力电子技术中的“控制”与“转换”。在交通指示灯控制系统中,路口停车线前埋设相应的环形感应器,感应器便可以把上方车辆通过所形成的数据顺利传输至交通信号控制系统,随后控制系统便可依据交叉路口的车辆通行状况,对红绿灯切换进行合理操控。

该技术的主要优点在于:①无论是处理器,还是被控系统的信号,均以数字形式呈现。在进行数字信号与模拟信号的转换时,噪声的影响几乎不存在(例如某些智能设备,噪声消除的根本原因虽然得益于硬件设备的提升,但噪声的来源并非设备运行期间的磨损,而是信号以何种形式呈现)。从理论上来看,如果噪声的强度达到将数字信号中设定的逻辑值“1”改变为逻辑“0”,则数字信号的传输质量必然受到影响。但在现有的技术水平下,该现象不可能出现。②PWM 技术应用于电子通信控制时,在模拟信号转向PWM 信号的过程中,能够大幅度地延长通信距离,使得噪声产生的实际干扰力极低。到了接收端,只需借助LC或RC网络,过滤掉调制的高频方波,即可还原信号,解析其中蕴含的信息。由此可见,PWM的高效率变频功能,几乎实现了强电与弱电之间的“无障碍衔接”,且因PWM 能够同时实现变频变压反抑制谐波的特点,该技术在交流传动以及其他能连变换系统中,均能发挥较大的作用[2]。

2.3 电力电子技术在电路保护装置中的应用 电气系统在运行的过程中,如果某一元件出现了故障,很可能造成电路短路,进一步扩大不良影响。常规的电子控制方式,在电路中设置基于传感器的应急报警处理机制,一方面,将相关信息传递至计算机总控端;另一方面,立刻启动熔断器、直流快速断路器等设备,将故障区域从系统整体中“摘除”。此种方式应用于传统的大型机电系统时,能够取得极佳的效果。但随着电力电子技术的发展,如前文所述,机电设备的体积会呈几何倍数缩减,功能及功率却在不断提升。因此,要解决这一问题,就要设计更加有效的保护电路,驱动电子控制信号,完成对电路的深层保护。如图2所示,为“桥臂互锁”式电路保护装置构件示意图。一旦电路中出现信号反复、传输延时等问题时,桥式逆变电路会自动启动“桥臂短路”功能,其作用原理在于,在“不切断故障区域”的情况下,完成对异常信号的清除,并利用“互锁”的方式,连接桥臂,达到不伤害电路元器件的目的,并有效的防止短路现象。在电力电子技术的应用范畴内,电能得以转化和控制。如在电子技术为核心的控制系统中,三极管、二极管、电容、电感、电阻、等电子元器件构成的集成电路,各个元件通过彼此依赖、互相作用,共同构成一种有机整体,最终实现预期控制目标。

图2 基于PWM 技术的“桥臂互锁”式电路保护装置构建示意图

结论

基于电子控制理论的分析,以弱电控制强电,在电力电子技术的应用范畴之内,电能可以得到定性和定量的转化及控制,故“电子”与“电力”之间的区分正在逐渐朝向“模糊化”发展。尽管如此,不同的技术在具体应用时,仍然需要遵守各自的“规律”,探索电力电子技术在电子控制领域更多的应用方式,才能从根本上解决应用过程存在的问题。