【儀表網 行業聚焦點】工控領域發展至今，如何通過自主創新找到新的發展之路成為了一個難題。而如今，隨著電力電子技術問世，其對工控領域的影響也日益增強。那么，我們應該對發展和振興我國自主電力電子技術以助力工業控制系統自主創新進行認真的思考。
我國與所有發達國家一樣，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控制系統中的各個角落，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。
國家中長期科學和技術發展規劃綱要指出：“我國要在激烈的競爭中掌握主動權，就必須提高自主創新能力，在若干重要領域掌握一批核心技術，擁有一批自主知識產權，造就一批具有競爭力的企業。總之，必須把提高自主創新能力作為國家戰略，大幅度提高國家競爭力。”所以，我們認為有必要從戰略高度出發，就工業控制系統中如何在當前進行自主創新，為發展和振興我國自主的電力電子技術做出貢獻等問題進行認真的思考。
工業控制中的典型應用
變頻調速系統
在工業控制領域中，大部分使用的是交直流電動機，例如數控機床的伺服電機、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。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、提高功率因數等功能。變頻器的功能很多，比如優化電機運行，中用電量有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。根據變頻器生產企業ABB的測算，該企業在范圍內已經安裝的變頻器每年就能夠節省1150億千瓦時電力，相應減少9700萬噸二氧化碳排放，這已經超過芬蘭一年的二氧化碳排放量。在一般的工業控制領域，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，目前該技術已經比較成熟。在異步電動機運行時，需要同步進行調壓和調頻，使電機在獲得良好的運行性能的同時保持控制的靈活性。目前主要通過交-直-交變頻調速系統來實現這一目標。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，對傳統工業領域中的電鍍、電加工、充電等各種電源進行改造，不僅材料成本可減少，還可達到節電的目的。目前，高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代工業控制系統中通信供電的主流，傳統的相控式穩壓電源已逐步被高頻開關電源所取代。
電能質量治理技術
工業控制系統中常用的變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載，這些設備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此無功電源與有功電源一樣，是保證電能不可缺少的部分。隨著電力電子技術的進一步發展，逐步出現了應用變流技術進行動態無功補償的靜止補償器SVG。SVG根據檢測的電網中的情況實時地發出或者吸收無功，減少了工業控制中電能傳輸的損耗，改善了工業控制系統的供電電壓質量。
工業控制系統中的諧波存在會造成異步電動機效率下降，噪聲增大，使低壓開關設備產生誤動作，對工業自動化控制中的正常通訊造成干擾，影響計量設備的準確性。諧波的存在也會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用容量和使用效率，還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。這些問題都加大了工業控制系統中的電力運行成本，降低了供電的可靠性，引發供電事故的發生，導致設備無法正常工作，降低產品質量，影響通訊系統的正常工作。諧波污染治理可以分為兩種，—種是主動型諧波治理，即對產生諧波的電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波。另一種治理方法是裝設諧波補償裝置，這對各種諧波源均適用，稱為被動型諧波治理。
可靠供電技術
UPS(不間斷電源)通常被置于市電電網和用電負載之間，其目的是改善對負載的供電質量，并在市電故障時，保證負載設備的正常運行。隨著現代工業的發展，供電網絡的負載越來越復雜，特別是工業控制系統中大型用電設備的啟動和停止、大型可控電力電子設備的應用以及網絡內部噪聲會使交流正弦波發生畸變。另外，自然界的雷電、電網的接地不良等因素均影響到電網的供電質量。以上因素的影響可能會導致接在工業控制系統中的計算機設備、精密儀器設備發生失控﹑丟失數據﹑停機﹑損壞等嚴重后果，直接影響工業控制系統的正常工作，造成嚴重的經濟損失。隨著現代網絡技術和信息產業的進一步發展，供電中斷所帶來的損失也變得越來越嚴重。UPS就是為了解決供電系統存在的問題應運而生的，至今已經歷了幾十年的發展歷程。UPS不僅使供電無中斷，而且還具有穩定輸出電壓和抗干擾等功能。
電力電子技術發展歷程
電力電子技術是20世紀后期誕生并發展起來的一門嶄新的技術，是以電力為處理對象并集電力、電子、控制三大電氣工程技術領域的綜合性學科。從學科角度來看，電力電子的主要研究集中在電力電子（功率半導體）器件、變流器拓撲及其控制和電力電子應用系統，實現對電、磁能量之間的變換、控制、傳輸和存儲，以達到合理、地使用各種形式的電能，為人類提供高質量電能。電力電子的研究范圍與研究內容主要包括：1.電力電子元器件及功率集成電路；2.電力電子變流技術，其研究內容主要包括新型的或適用于電源、節能及電力電子新能源利用，電力電子系統中的控制和計算機仿真、建模等；3.電力電子應用技術，其研究內容主要包括變流器在節能、可再生能源發電、鋼鐵、冶金、電力、電力牽引、艦船推進中的應用，電力電子系統故障分析和可靠性，復雜電力電子系統穩定性和適應性等；4.電力電子系統集成，其研究內容主要包括電力電子模塊標準化，電力電子集成系統的穩定性、可靠性。
從1958年美國GE公司研制出世界個工業普通晶閘管開始，電能的變換和控制就開始了從旋轉的變流機組和靜止的離子變流器進入由功率半導體器件構成的變流器時代。雖然早在20世紀初就已經出現了可以控制電流的真空管和水銀整流器，但電力電子技術真正得到飛速發展并被廣泛應用，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閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)和電力場效應晶體管(Power-MOS-FET)。隨著硅整流器件的發展，電力電子器件的控制能力和開關速度得到了提高，現代電力電子的發展向著高頻技術處理發展，其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，在不斷的發展中促進了現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，表明已經進入現代電子電力技術發展時代。
電力電子技術可實現控制加節能，將“粗電”變為“細電”來用。近年來，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低水平。新數據顯示，目前我國能源40%為電力能源，工業領域占很大比重，約50%的發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%，遠超發達國家平均水平的23%，未來五年節能將成為國家支柱型戰略新興產業。
我國要真正實現工業控制系統中的自主創新、資源節約、環境友好這一系列目標，迫切需要建立一個自主創新的、強大的、達到平的電力電子產業。
大力發展電子電力產業勢在必行
雖然我國電力電子技術研究有50多年的歷史，已經取得了一定的進展，但該領域科技發展速度太快，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品和裝置，但是它們均是采用國外生產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的。我們正面臨著競爭的嚴峻形勢，特別是關系到國民經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，迅速改變這一現狀是我們面臨的挑戰和義不容辭的任務。
過去，我國國民經濟各部門引進了不少國外先進技術，也強調了國產化的問題，盡管它們中的絕大多數幾年后都可以達到國產化率70%的要求，可是只要我們仔細分析一下，就不難發現，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品中的核心技術。
工業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；電力電子及其系統控制技術；大功率逆變器并網技術；大功率全控電力電子器件和電力電子全數字控制技術等。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；電力電子全數字控制技術水平還處于初級階段；應用系統控制技術和系統控制軟件水平較低；缺乏重大工程經驗積累等。高性能大功率變流裝置目前幾乎全部依靠進口。
通過以上分析，可以看出電力電子技術能夠實現工業控制系統上節能的目的，具有非常高的實用性，應用范圍也相當廣泛，在工業控制中很多方面已經開始發揮出重要的節能作用。隨著電力電子技術的發展，其必將為綠色工業提供更好的指導和更強的動力，為節能減排創造更廣闊的發展空間，從而造福全社會。我國要真正實現工業控制系統中的自主創新、資源節約、環境友好這一系列目標，迫切需要建立一個自主創新的、強大的、達到水平的電力電子產業。
