电气控制技术及其发展展望

李春明

[摘 要]本论文从历史发展的角度，电气控制技术的发展，以及未来的发展空间，提出了一些改进措施，为电气控制技术在具体实例中应用打下基础。

[关键词]电气控制技术 发展目标 功能差别

中图分类号：TN83 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-049-01

本文首先回顾控制技术和电气技术的发展历史。电气技术开始时沿着信息传送（弱电）和电能利用（强电）两个方向发展，现代电气控制的特点是以弱电控制强电，使两支洪流又汇合起来。电气控制的应用范围极广，从控制对象工艺过程上看，大体可分为电气传动控制和电气仪表过程控制两大部类，它们在控制规律上有许多相似之处。电气控制的目标是保证生产过程和产品质量的优化、节约能源、提高可靠性和自动化水平，是现代化生产中提高生产力的必要途径。

一、历史回顾

早期的电气传动控制只是利用电器来控制电动机的起动、制动、正反转和分级调速。随着技术的进步，生产工艺对电气传动提出了越来越高的要求，诸如精确稳定的运行速度、无级调速、快速反向、准确定位等等。直流电机变压和弱磁调速可以比较好地满足这些要求，于是诞生了旋转变流机组供电的直流调速系统（Ward-Leonard系统）。对调速性能要求再高时，则引入电机型放大器、磁放大器、电子放大器等放大装置进行反馈控制。到本世纪五十年代，机组供电直流调速系统的控制技术发展到了巅峰的阶段，也正是它的缺点暴露得最充分的时候，它的设备多、体积大、费用高、效率低、安装须地基、运行有噪音、维护不方便等等日益成为生产上的负担。为了解决这个矛盾，人们开始采用水银整流器（大容量）和闸流管（小容量）等静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子传动控制系统。1957年，可控的大功率半导体器件—晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能上还是可靠性上都具有明显的优势，60年代成了晶闸管的时代，使离子传动仅仅成为一位历史上的浮云过客而已。七十年代以来，国际上电力电子技术（即大功率半导体技术）突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）、场效应晶闸管（P-MOSFET）等。新型的脉宽调制式（PWM）变压装置使直流电源以1^-4kHz的频率交替地导通和关断，用改变脉冲电压宽度来改变平均输出电压，从而调节电动机的转速。与老式电器开关控制相比，新的PWM开关在形式上是静止的，开关频率高，装置体积小，调节性能好，运行十分可靠。从电器开关到连续调压，再到电子开关，电气传动控制的历史在螺旋式地前进。如上所述，电气控制手段经历了几代的演变，而直流电动机本身却基本上依然故我，虽然它具有优良的可控性能，但它的机械式换向器始终是构上和运行中的薄弱环节。交流电机尤其是鼠笼式异步电机没有这个问题，因此在直流传动控制技术发展的同时，人们一直在憧憬着具有优越控制性能的交流传动系统，业为此付出了艰苦的努力，但直到电力电子技术蓬勃发展以前，始终未能如愿。当晶闸管组成的可控整流装置获得广泛应用以后，又发明了晶闸管逆变电路和变频装置，“全控式”电力电子器件的出现，使变频装置的结构大为简化，交流变频调速系统才逐渐具备大量应用的价值。1971年提出了矢量控制技术，使交流调速得到了可与直流调速媲美的高性能，石油战引起的国际能源危机更促进了节能交流传动的开发。工业上应用的交流传动装置迅速增长，80年代可以说是推广交流传动的时代了。

二、当前的国际水平

当前，标志着电气控制技术国际先进水平的问题，可以归纳为五个方面。

（1）以电子计算机和其它电子装置为主要控制手段。

无论是电气传动控制，还是电气仪表过程控制，尽管它们在很长一段时间里采用着很不同的控制手段，到后来都找到了电子装置和电子计算机。这决不是偶然的巧合，这正是技术进步的结果。自晶体管问世以来，电子器件从分立元件发展到小、中、大、甚大规模的集成电路，韭在此基础上制成微处理机和微型计算机。在七十年代的十年中，元件的集成度越来越高，因而从四位机、八位机、十六位机发展到八十年代初的三十二位机，动态存储器的容量日益增大，指令平均执行时间日益缩短，而器件的成本则大幅度降低，从1974年以后的六年中，每个门的平均费用下降为原来的1%。八十年代将进一步实现系统集成化，即使操作系统、IJO处理功能等都作为集成化的对象，以减轻用户在软件上的负担。可以预计，微型计算机将会继续迅猛地发展。

（2）以电力电子装置为弱电控制强电的媒介。

在各种电气控制设备中，能够实现弱电控制强电的关键是电力电子装置。如果说，计算机是现代化生产设备的大脑，那么电力电子装置就是支配手足动作的肌肉与神经。近十年来由于微电子制造技术的进步，给电力电子器件生产以极大的推动力，各种新型电力电子器件如雨后春笋，韭且向着高电压、大功率、高动态参数和高可靠性的方向发展。表1提供几类主要电力电子器件规格的国际水平。

（3）以自动控制理论和信息传输理论为电气控制技术的理论基础。

由无源或有源的线性电路构成的PID调节器在电气控制系统中已经沿用了四十多年，结构简单，能满足一般控制性能的要求，在理论和实践上都已经很成熟了。不少人曾尝试应用其它控制规律改善系统的性能，取得了一定的成果，但在控制器的复杂性上也付出了不小的代价。自从计算机用于炙时控制之后，提供了实现各种控制规律的方便，情况发生了根本的变化。举例来说，变结构控制在线性电路的基础上实现起来比较麻烦，用软件来实现就容易得多。计算机的高速运算能力使现代控制理论中较复杂的控制规律都能够得到实时的应用。

三、我国的现状与发展展扭

从整体来看，我国自产电气控制装置的水平与国际先进水乎相比大约落后二十年。具体分析一下，我们在控制软件设计和控制理论应用上都有一定基础，能力韭不很弱，在理论研究的某些方面还有领先的成就，计算机和控制装置的硬件是我们主要的薄弱环节，其中更根本的弱点在于元器件一大规模集成电路和新型电力电子器件。前者已经受到国家很大的重视，发展势头较大，而后者尚未得到足够的重视，只有本行业在努力。当前我国电力电子器件的生产水平与前面列出的国际水平相比可以看出其差距。此外，在设计方法上，基本上仍处于图板加计算器的状况，数字仿真与计算机辅助设计的应用韭不普遍。

为了加快发展速度，在引进和消化之后，关键还在于自己要有足够的研究与开发的力量。在这方面，生产与科研体制的改革是一个重要的问题。没有强大的在经济上与生产部门溶为一体的科研开发基地为后盾，就不可能赶上现代化生产高速发展的趋势。只要我们看清方向，采取正确的符合实际的方针和路线，调动各种积极因素，那么，在我国实现电气控制技术的现代化是完全可能的。

参考文献

[1] 顾绳谷主编：电机及拖动基础2011年版.

[2] 中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会编：风机水泵交流调速节能技术1984年.endprint