我国工业电气自动化的发展现状与趋势

我国工业电气自动化的发展现状与趋势

【摘要】自第二次工业革命以来，电气技术已成为诸多高新技术系统中不可缺少的关键技术之一。电气技术的外延十分广阔，内涵十分丰富。

【关键词】工业电气自动化，现状，趋势

一、电能和电力输配

配电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。电能是一个国家国计民生的主要能源。如今，人均消耗的电能已成为衡量一个国家实力的重要指标。而电气技术恰好涉足电能和电力输配问题。一个完整的电能生产与消费网络由发电、输电、配电及用电几部分组成。其中由发电厂、变电所和输电线路组成的电力网络称为电力系统。

电力系统十分复杂，对于电力系统来说，不但要求它每一时刻发出的总电量等于系统消耗的总电量，而且要求所有的中间传输环节都能畅通无阻。中间传输环节的任期任何阻滞，都会在发电与用电两端同时发生“过剩”与“不足”两种截然相反的不正常状态，严重时系统可能因此而崩溃，造成大面积恶性停电，使国民经济遭受重大损失。对电能和电力输配来说，除了设计好发电站，使其保证电力的充足供应发电质量（减少谐波、）提高功率因素等外，还要注意电能传输的调度和管理，从而保证电力系统可靠、安全地连续供电。将自动化技术应用于电能传输的调度和管理中构成了现代电力输配系统。

二、功率器件和电力电子技术

自从50年代硅晶闸管问世以来，功率半导体器件取得了长足的发展。新型的功率器件如：GTO 、高功率晶体管和功率MOSDFET 、IGBT 等的出现大大提高了功率器件的开关频率和可关断性能。由于工艺技术的成熟和成本的降低，电力电子学的应用正在推广，例如，开关电源（SMPS ），UPS 电源、电化学作业、加热和照明、静态无功（VAR ）补偿；有源滤波、高压直流系统、光电系统和变频电机拖动。

目前，GTO 的最高研究水平为6英尺、6000V/6000A以及9000V/10000A。现在硅材料功率器件已发展相当成熟。为了进一步实现人们对理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件中，最有希望有是碳化硅（SiC ）功率器件。但是，SiC 材料和功率器件的机理、制造工艺还存在大量的问题，要真正给电气技术领

域带来又一次革命，还需要众多有志之士的努力。一代新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。随着各种功率器件的不断研制和开发，电力电子技术也得到了飞速的发展。

在电力电子技术中，功率变换是最重要的，也是最基本的共性技术。功率变换技术研究的目标主要有：节约能源、提高效率，同时应减小变换器的体积和重量，降低谐波失真的成本，高精度、快响应、宽的输出电压、电流和频率调节范围等。功率变换器可实现AC-DC 、DC-AC 、AC-AC 、DC-DC 的转换。功率变换技术的发展大致可分为：强近换流技术；PWM 控制技术；以软开关、功率因素校正、消除谐波，考虑电磁兼容为特征的技术三个阶段。经过三十多年，特别是发展动向主要集中的软开关、高压、大功率和低电压、大电流变换技术方面。

三、电机与电力拖动

电机是电气技术所涉及的重要对象之一。电能的生产是由发电机完成的；电动机则可拖动生产机械和各种负载运转，从而实现生产的自动化和家用电器及办公设备的智能化。电动机分为直流电机和交流电机两种。在电机的发展史上，直流电机发明较早，它的电源是电池。后来才出现了交流电机。直流电动机具有调速范围广、易于平滑调速；起动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等优点。但直流电机有一个突出的缺点——换流问题。它限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。人们研究了交流电机的调速，并取得了良好的效果，使这在某些调速场合代替了直流电动机。除了普通的直流电机和交流电机外，还有各种微控电机。微控电机广泛用于各种家电、办公设备和伺服控制系统中。微控电机的发展和应用，也是电机发展和应用的一个重要方面。

电力拖动系统又称为电力传动系统或电机调速系统。电机调速传动分为工艺调速传动、节能调速传动、牵引调速传动和精密、特种调速传动四大类。工艺调速传动指生产工艺要求必须调速的传动，主要用于轧机、造纸、化工等场合。节能调速传动是指一般采用风机、泵、压缩机等调节流量和压力的场合。电力牵引调速传动则指用地电气铁道、地铁，各种电动车，工矿牵引、矿井卷扬及电梯等场合实现运输、牵引的传动。精密、特种调速传动是指用于现代数控机床、机器人、雷达等场合对伺服、运动控制要求特别高的传动。正是因为电力传动系统具有如此广泛的应用背景，再加上电力电子技术的飞速发民，近十年来全球工业应用的电机调速装臵增长了25%，远远超过了前30年的增长率。随着微电子技术和自动控制技术的发展，使全数字微机控制的电力拖动系统得以问世并迅速发展起来。微机控制技术在电力拖动系统中的应用给这一领域注入了新的活力，使之

呈现现出蓬勃发展的新景象。

四、电气测量与检测技术

电气测量又称为电磁测量，电磁测量分为电测量和磁测量。电气测量与检测技术是研究各种电气被测量的测量方法、相应测量仪器仪表的原理与结构、测量时的操作技术和如何根据测出数据进行数据处理以求得测量结果和测量误差的技术。电气测量与检测技术对一个从事电气技术工作的人员来说是十分必要的。因为，不论是电气设备的安装、调度、实验、运行、维修；不是对电气产品进行检验、测试、鉴定都会遇到电气测量技术方面的问题。随着控制理论和计算机技术的发展，电气测量与检测技术也向自动测试方向发展。各种计算机辅助测试技术、自动测试系统应运而生。自动测试技术是现代电气测量与检测技术的发展方向。

五、电器元件及电器控制

电器元件是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气设备。

简言之，电器元件就是一种能控制电的工具，主要指常用的高、低压电器元件，包括：接触器、继电器、自动空气断路器、行程开关、熔断器以及各种按钮、刀闸开关等等。电器控制就是将上述电器元件组成控制线路来实现生产机械的各种电气控制。

早期的工业半自动化和工业自动化主要就是由各种电器控制技术来完成的。虽然电器控制为生产的自动化提供了条件，但是，电器控制系统有体积大、可靠性低、查找故障困难、接线复杂、对生产工艺变化的适应性差等缺点。目前，我国仍是一个发展中的国家，相当多的大、中型企业中的大部分生产设备仍处于电器控制的半自动化阶段。