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：本文介绍了宇电系列产品的特点，说明了AI708T、AI808、AIMCGS和AIFCS在大成农药产品上的成功应用，丰富了对宇电系列产品的应用经验，达到了理想的效果。
关键词：宇电仪表 人工智能工业调节器 AIMCGS AIFCS
一、概述
山东大成农药股份有限公司是国家大型企业，产品有杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂、防霉防蛀剂等农药产品和烧碱、盐酸、液氯、二氯苯等化工产品两大系列。具有五十多年的生产经营管理经验。杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂、防霉防蛀剂等农药产品基本上行间歇反应操作。间歇反应操作相对分散，适宜使用分散显示、控制，集中监控、记录。
二、特点
1 丰富多样化的系列产品
宇电拥有丰富多样化的二次过程仪表产品。诸如高性能型仪表AI-708/808型人工智能工业调节器、AI-708P/808P程序型人工智能工业调节器、AI-708H/AI-708Y型**积算仪、AI-708M/M2型六路/二路测量显示报警仪，经济型仪表AI-518T经济型智能温度控制器（原AI-708T型）、AI-508T简易型人工智能温控器、AI-501T型单测量显示报警仪，开关量/频率信号仪表AI-301M型开关量I/O模块, AI-2000型触摸屏PC、AI-2000W型彩色电脑无纸纪录仪，AIFCS计算机监控系统，可控硅电炉温度控制柜，AIJK3型三相移相/周波过零可控硅调功触发器等多种产品。
2 可编程输入、输出技术
自由设置热电偶、热电阻及多种线性电压（电流）输入。
3 模块化
模块化实现了批量生产、交货迅速、模块损坏、增加（或减少）功能只需更换模块等优点。有模拟量输出模块X、X4、X5、X6，开关量输出模块L2、L4、L5、G、G5、W1、W2，可控硅触发输出模块K1、K2、K5，电压输出模块V5、V10、V12、V24、U5，输入模块J0、J1、J2、J3、J4、J5、I2、I3、I4、I5，通讯接口模块S、S4。
4 AI人工智能调节技术
结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无超调、无欠调的**调节，性能远优于传统PID调节器。
5 隔离技术
自隔离技术和光电隔离技术使通讯、输出或输入实现信号间彻底相互隔离。
6 快速通讯
RS485通讯9600波特率下，平均每台仪表读取3个常用变量及1个参数的速度仅40ms。
7 扩展性
自定义输入规格；可定制功能复杂的液位/体积（重量）显示控制仪，山东大成农药公司从厦门宇光公司定做液位/重量控制仪，把液位与重量表格和两点插值公式写进液位/重量控制仪，实现液位及其对应重量显示的功能，受液位/重量控制仪存储容量限制，只能写进60个数据，每两个数据之间再用两点线性插值公式计算；功能模块根据需要可以增减。
8 发展**性
不断推出新产品，近开发出E5导轨安装仪表，不同通道的巡检仪AI-704M、AI-706M等满足广大用户不同需要。
三、宇电产品的应用
基于山东大成农药股份有限公司农药生产间歇操作的特点和宇电产品的特点，山东大成农药股份有限公司农药产品大量使用了宇电系列产品如：AI708TB30台、AI708TBS130台、AI-808 BXS8台、AI708M2BS15台、AI708MBS30台、AI-708HBI4S2台、AI-708YBI4S6台、AI704MBS5台、AI706MBS8台、AI501TB3台、AIFCS5套、液位/体积（重量）显示控制仪1块等，其中一套AIFCS已达到150点。
下面以山东大成农药其中一个农药产品的中间体四甲基乙烯所使用的宇光仪表为例加以说明。
3.1 系统硬件
四甲基乙烯主要通过调节进入再沸器的蒸汽量来控制稳定塔底和塔顶的差压，切割塔、精馏一塔、精馏二塔三套物料差压单回路调节系统，切割塔高位槽、精馏一塔高位槽、精馏二塔高位槽三套液位指示、联锁系统，高位槽液位到上限时自动停泵、到下限时自动开泵，二聚釜压力超高报警，温度指示、记录等功能。系统完全按照生产现场防爆级别要求设计，由研华工业控制计算机、RS232/RS485转换器，宇电AI-708TBS智能数字显示仪、宇电AI-808BXS人工智能工业调节器，现场一次仪表等组成AIFCS计算机监控系统，该系统真正具有监控和记录集中、控制和危险分散等现场总线系统的特点，非常适合我公司工业生产的要求。硬件系统组成见图1。盘面和工控机构成见图2。
3.2 系统软件及组态
AIMCGS是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，在工业控制领域有着广泛的应用。AIMCGS的特点：
○简单灵活的可视化、模块化操作界面，条块清晰，易学易用。用户应用系统有主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成
○具有良好的可维护性和可扩充性。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了AIMCGS三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。
○此外有可靠、安全、动画显示、报表、报警、趋势、打印、网络等功能。
选择AIMCGS组态软件平台，利用RS485协议构成局域网，组成AIFCS计算机监控系统，自行编程、组态、调试，实现工艺参数的集中监视、控制、记录等功能。工控机下传查询语句轮寻各个宇光智能仪表，采集实时数据。宇光智能仪表的参数可以在仪表面板上修改，也可以通过监控机下发命令语句实现修改。监控系统其中一个画面见图3。
3.3 调试和投运
调试时AI-808人工智能工业调节器不正常，经过反复检查，监控程序组态时，AI-808设备构件基本属性的设备属性名OP设置方式应设为0-不设置OP值，如果设为1-设置OP值，即自动设置OP值，表示写OP值，那么就要有一个变量值赋给OP，否则AI-808人工智能工业调节器不能正常工作。SV设置方式与OP设置方式相同。
自动单回路系统投运时，根据经验和AI人工智能工业调节器使用说明书的要求，使用自整定（AT）功能整定后控制**。其中精馏二塔达到8±0.2kPa的效果，自整定后主要参数如下：M5:1.5，P:10，t:15，ctl:3。三套单回路控制系统和连锁系统均顺利投切到自动状态运行。
3.4 改进
切割塔高位槽、精馏一塔高位槽、精馏二塔高位槽三套液位联锁系统原设计用液位开关，工艺要求改成液位指示、联锁。把液位开关换成液位计，三块智能数显表AI-708TBS换成智能巡检仪AI-708M2，六个温度测点使用三块巡检仪，三块数显表上分别加装两个L4继电器输出模块，改动有关接线和智能数显表的参数设置，实现液位指示、联锁。节约了改造投资成本。
1 引言
近几年,H桥级联式高压变频器得到了很快的推广和普及,其“完美无谐波”的特点，被更多的人所赞誉和接受,这主要归功于一个简单的思路，即：用相对独立的低压变换单元,通过串联的办法来解决高压问题。思路很简单,但实现起来方法却各有不同。本文就提出了一种将矩阵变换器引入H桥级联型高压变频器的新方法,并替换其中的H桥功率单元,舍弃了直流环节和串、并联电解电容器组,实现了交—交形式的直接变换,因此大大延长了变频器的使用寿命,体积也可以减小许多。
2 拓扑结构及其特点
2.1 矩阵变频器
矩阵式变换器，主要由矩阵开关以m×n阵列形式构成，当用作电机驱动时m和n的值都取3，组成矩阵变频器，其电路拓扑如图1所示。
图1 矩阵变换器
虚线框内为矩阵开关，由两支反串联的IGBT构成，也可以由两支反并联的晶闸管构成，它的作用是实现电流的双向控制。
（1）特点：
● 可以实现四象限运行；
● 无需电解电容器；
● 无需电力变压器；
● 体积小，重量轻；
● 效率高。
（2）缺点：
● 开关型功率器件数量多；
● 功率器件需要能耗型吸收电路；
● 采用IGBT时,受器件耐压限制,高电压变换难于实现。
2.2 交—交变频器
交—交型变频器，主要由电力变压器和三个单相交—交变换器共同组成，一般通过星形连接形成三相输出，电路拓扑结构如图2所示。
图2 交—交变频器
虚线框内为单相交—交变换器功率单元，由数支反并联的晶闸管构成，作用也是实现可换向整流控制。但是需要说明的是，晶闸管的关断需要依赖电源交流电压的自然换向才能实现。
（1）特点：
● 可以实现四象限运行；
● 无需电解电容器；
● 效率较高。
（2）缺点：
● 需要电力变压器，体积大，较重；
● 晶闸管数量多，需要能耗型吸收电路；
● 晶闸管的关断依赖电源的交流电压；
● 输出谐波较大；
● 输出频率范围因谐波原因受到较大的限制。
2.3 H桥级联型高压变频器
H桥级联型高压变频器，主要由移相式输入变压器和多个H桥单相逆变单元共同组成，单元与单元之间串联，并终进行星形连接，从而实现三相输出。如图3所示，是一个3kV H桥级联型高压变频器的电路拓扑形式，它的每一个相电压由3个H桥单元串联而成。
图3 H桥级联型高压变频器
虚线框内为H桥单相逆变单元，由三相输入整流、滤波电容组和H桥逆变电路（全桥）共同组成，本质是一个AC-DC-AC变换器。
（1）特点：
● 功率因数高；
● 输入、输出电流波形接近正弦波，谐波小；
● 效率较高；
● 高电压变换容易实现。
（2）缺点：
● 需要复杂的电力变压器；
● 体积大，较重；
● 功率器件数量多；
● 依赖直流电容器，如果采用电解电容器，还需要定期维护。
2.4 矩阵级联型高压变频器
本文提出的矩阵级联型高压变频器，主要由移相式输入变压器和多个矩阵单相变换单元共同组成，它是在H桥级联型变频器基础上，将矩阵变换单元引入并替代H桥单相逆变单元而形成的，其单元与单元之间也采取串联及星形连形式，并终实现三相输出的。拓扑结构如图4所示，是一个3kV矩阵级联型高压变频器的电路形式，它的每一个相电压由3个3×2矩阵变换单元串联而成，三相共需要9个这样的单元。
图4 矩阵级联型高压变频器
虚线框内为3×2矩阵变换单元，通过虚拟整流技术及可三电平输出的PWM控制技术，实现了三相交流电输入和单相三电平交流电的输出，可以适应感性负载的变化。
（1）特点：
● 可以实现四象限运行；
● 无需电解电容器，寿命较长；
● 变流器的体积较H桥单元的小；
● 输入、输出电流波形接近正弦波，谐波小；
● 功率因数高；
● 效率较高；
● 高电压变换容易实现；
● 输出频率范围宽。
（2）缺点：
● 需要复杂的电力变压器，体积大，较重；
● 功率器件数量多；
● 功率器件需要能耗型吸收电路。
3 矩阵级联型变频器的实现方法
矩阵级联型高压变频器，采用3×2矩阵变换单元相互串联而成，实现了高电压的输出，具有与H桥级联型高压变频器相似的特点，同时又具备矩阵、交—交变换器的四象限运行能力。
其实现方法是：三相高压交流电经移相变压器的降压、隔离和相移，形成互差一定角度的三相交流电。将该三相交流电分别送到各个矩阵变换单元，经虚拟整流、换向、PWM斩波控制和三电平转换，得到单相的交流电输出。将数台矩阵变换单元的输出端串联起来，并组合成星形，便得到了可直接驱动高压电动机的三相交流电。每台矩阵变换单元通过一对光纤接受控制器的指令和PWM信号，同时也能向控制器传送状态和告警信息。矩阵变换单元，采用虚拟整流技术，没有真正的直流环节，不需要平波电容器，所以使用寿命得到延长，可以减少维护量，甚至可以设计出免维护的产品。
3.1 虚拟整流技术
虚拟整流技术的实现，主要通过三相同步检测电路取得同步控制信号，然后控制功率器件来模拟二极管桥式整流电路对三相交流电进行整流，同时防止输入的三相交流电相间短路。其原理如图9所示，是一个输出方向固定的虚拟整流电路。仿真波形如图5所示，它们分别是矩阵变换单元的三相输入电压、6路同步信号和虚拟整流后得到的输出电压波形。
图5 方向固定的虚拟整流仿真波形
3.2 换向技术
换向技术，是通过可换向虚拟整流技术实现的，可以设计一个逻辑转换电路接收由控制器发出的输出方向给定信号，可以在任意时刻改变虚拟整流电路的输出方向，仿真波形如图6所示。
图6 输出可换向的虚拟整流波形
3.3 PWM斩波控制
对虚拟整流波形进行斩波控制，便可以得到占空比可任意调节的PWM波形。如图7所示，是通过SPWM控制得到的输出波形图。可以看出它的包络就是虚拟整流得到的波形。
图7 输出经SPWM斩波控制的输出波形
3.4 三电平控制
虽然经过上述过程实现了输出的斩波控制，但是它仅仅实现了通和断的转换，并不能为负载提供续流能力。而变频器应对的都是感性的负载，因此矩阵变换单元必须具备输出续流环节，为此考虑采用三电平控制策略是必须的。
4 矩阵级联型变频器的系统仿真
矩阵级联型高压变频器采用的矩阵变换单元,本质上是一个三相输入,单相输出的AC-AC变换器,即图4虚线框内所指的部分,仿真的具体电路原理如图8所示。
图8 矩阵变换单元电路仿真原理图
图8所示逻辑电路，其作用是完成三电平的转换和安全机制的处理，限于篇幅的原因不做进一步的分解。
讨论如何建立矩阵级联型变频器系统仿真模型，应首先讨论如何建立单相矩阵级联模型。
4.1 单相矩阵级联
以图4所示的A相为例，建立由3个矩阵变换单元串联而成的仿真模型，将电网输入电压相互相移20°，每个变换单元在产生SPWM控制信号之前，将三角波参照自身互相相移120°,其他部分完全相同。把变换单元A1、A2和A3尾首相连，A1的首和A3的尾悬空并用于测量。于是得到单相串联输出波形图如图9所示，参照图4,它们分别是：变换单元A1输入三相电压、A1输出单相电压、A2输出单相电压、A3输出单相电压、A相总输出单相电压波形,以及A相给定的基波电压。
图9 单相矩阵级联的仿真波形
通过上述仿真模型得出的结果，不难看出由3个具有三电平输出能力的矩阵变换单元，可以通过串联得到3×2+1=7个电平数，这与H桥级联型变频器的情况相类似，不同的是矩阵级联变换器输出的电平是虚拟整流波形的包络。值得说明的是，矩阵变换单元串联的越多，其输入电压和调制三角波的相移角度也会选择的越紧密，系统输出就越接近正弦波。
4.2 三相矩阵级联
将单相矩阵级联串组合成星形连接，便形成了三相输入三相输出的交流电。如图10所示，它们分别是A相单台矩阵变换单元输出电压、A相输出总电压、B相输出总电压和A-B总输出线电压的波形图。
图10 三相矩阵级联电压输出图
5 研究内容及研究方向
本文仅仅从基本的矩阵级联的拓扑原理上做了些仿真和研究工作，而对于它的负面影响尚需做进一步的研究。
在矩阵级联型变频器方面，今后研究的内容和方向主要有：
● 矩阵控制策略；
● 矩阵单元的旁路技术；
● 防电网瞬时掉电功能；
● 软故障的自动恢复功能；
● 电机旋转过程中的起动问题；
● 工频与变频间的“无扰”切换能力；
● 无速度传感器直接矢量控制技术；
● 电机参数自整定技术；
● 功率器件的软开关和软吸收技术；
● 泵升电压对矩阵变换器的影响；
● 谐波的消除技术；
● 矩阵单元的前馈补偿技术等等。
6 结束语
本文结合矩阵变换器、交—交变频器和H桥级联型高压变频器各自的特点，提出了新的矩阵级联型高压变频器拓扑形式，并经过仿真模型的建立，验证了它的可行性。