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)用在電機驅(qū)動系統(tǒng)、開關(guān)電源、可靠供電技術(shù)以及電能質(zhì)量治理技術(shù)等。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。

國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要指出：“我國要在激烈的國際競爭中掌握主動權(quán)，就必須提高自主創(chuàng)新能力，在若干重要領(lǐng)域掌握一批核心技術(shù)，擁有一批自主知識產(chǎn)權(quán)，造就一批具有國際競爭力的企業(yè)?？傊仨毎烟岣咦灾鲃?chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，大幅度提高國家競爭力。”所以，我們認(rèn)為有必要從戰(zhàn)略高度出發(fā)，就工業(yè)控制系統(tǒng)中如何在當(dāng)前進(jìn)行自主創(chuàng)新，為發(fā)展和振興我國自主的電力電子技術(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，例如數(shù)控機床的伺服電機、軋鋼機和礦山牽引、大型鼓風(fēng)機等等都采用電力電子變頻調(diào)速技術(shù)。變頻器是利用電力半導(dǎo)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(xiàn)對電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、提高功率因數(shù)等功能。變頻器的功能很多，比如優(yōu)化電機運行，全世界中用電量有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(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。在異步電動機運行時，需要同步進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)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(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)到節(jié)電的目的。目前，高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中通信供電的主流，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源已逐步被高頻開關(guān)電源所取代。

電能質(zhì)量治理技術(shù)

工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負(fù)載，這些設(shè)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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，逐步出現(xiàn)了應(yīng)用變流技術(shù)進(jìn)行動態(tài)無功補償?shù)撵o止補償器SVG。SVG根據(jù)檢測的電網(wǎng)中的情況實時地發(fā)出或者吸收無功，減少了工業(yè)控制中電能傳輸?shù)膿p耗，改善了工業(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(guān)設(shè)備產(chǎn)生誤動作，對工業(yè)自動化控制中的正常通訊造成干擾，影響計量設(shè)備的準(zhǔn)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(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，即對產(chǎn)生諧波的電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波。另一種治理方法是裝設(shè)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(shù)

UPS(不間斷電源)通常被置于市電電網(wǎng)和用電負(fù)載之間，其目的是改善對負(fù)載的供電質(zhì)量，并在市電故障時，保證負(fù)載設(shè)備的正常運行。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載越來越復(fù)雜，特別是工業(yè)控制系統(tǒng)中大型用電設(shè)備的啟動和停止、大型可控電力電子設(shè)備的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲會使交流正弦波發(fā)生畸變。另外，自然界的雷電、電網(wǎng)的接地不良等因素均影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量。以上因素的影響可能會導(dǎo)致接在工業(yè)控制系統(tǒng)中的計算機設(shè)備、精密儀器設(shè)備發(fā)生失控﹑丟失數(shù)據(jù)﹑停機﹑損壞等嚴(yán)重后果，直接影響工業(yè)控制系統(tǒng)的正常工作，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，供電中斷所帶來的損失也變得越來越嚴(yán)重。UPS就是為了解決供電系統(tǒng)存在的問題應(yīng)運而生的，至今已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程。UPS不僅使供電無中斷，而且還具有穩(wěn)定輸出電壓和抗干擾等功能。

電力電子技術(shù)發(fā)展歷程

電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后期誕生并發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù)，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(shù)領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。從學(xué)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(dǎo)體）器件、變流器拓?fù)浼捌淇刂坪碗娏﹄娮討?yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)對電、磁能量之間的變換、控制、傳輸和存儲，以達(dá)到合理、高效地使用各種形式的電能，為人類提供高質(zhì)量電能。電力電子的研究范圍與研究內(nèi)容主要包括：1.電力電子元器件及功率集成電路；2.電力電子變流技術(shù)，其研究內(nèi)容主要包括新型的或適用于電源、節(jié)能及電力電子新能源利用，電力電子系統(tǒng)中的控制和計算機仿真、建模等；3.電力電子應(yīng)用技術(shù)，其研究內(nèi)容主要包括變流器在節(jié)能、可再生能源發(fā)電、鋼鐵、冶金、電力、電力牽引、艦船推進(jìn)中的應(yīng)用，電力電子系統(tǒng)故障分析和可靠性，復(fù)雜電力電子系統(tǒng)穩(wěn)定性和適應(yīng)性等；4.電力電子系統(tǒng)集成，其研究內(nèi)容主要包括電力電子模塊標(biāo)準(zhǔn)化，電力電子集成系統(tǒng)的穩(wěn)定性、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，電能的變換和控制就開始了從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器進(jìn)入由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的變流器時代。雖然早在20世紀(jì)初就已經(jīng)出現(xiàn)了可以控制電流的真空管和水銀整流器，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)斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)和電力場效應(yīng)晶體管(Power-MOS-FET)。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)?ldquo;細(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)超發(fā)達(dá)國家平均水平的23%，未來五年節(jié)能將成為國家支柱型戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

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。高性能大功率變流裝置目前幾乎全部依靠進(jìn)口。

通過以上分析，可以看出電力電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)上高效節(jié)能的目的，具有非常高的實用性，應(yīng)用范圍也相當(dāng)廣泛，在工業(yè)控制中很多方面已經(jīng)開始發(fā)揮出重要的節(jié)能作用。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)。