现代交流调速技术的应用和发展

现代交流调速技术及应用摘要：随着电力电子器件的发展，以及对效率的追求，交流调速得到快速发展，加上新技术、新理论不断渗透到交流调速之中，使其不断呈现新的面貌。十九世纪交流调速技术的出现，与直流调速技术相媲美，但由于直流调速技术的性能要比交流调速技术的性能要好得多，所以交流调速技术无法取代传统的直流调速技术在电气传动领域中的地位。随着科学技术的不断发展，促进了交流调速技术的发展，推动了现代交流调速技术的应用与发展，目前，现代交流调速技术已有超越直流调速技术的发展趋势。关键词交流调速技术直流调速技术应用和发展交流调速脉宽调制ApplicationandDevelopmentofModernACVariableSpeedTechnologyDENGXiaoxiang，LIUYuanyi，MENGJiaoru（HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology，Harbin，Heilongjiang150027）AbstractACvariablespeedoccursinthenineteenthcentury，comparabletoDCconversiontechnology，butbecauseoftechnicalperformanceDCspeedthanACvariablespeedperformanceismuchbetter，sothetechnologycannotreplacethetraditionalACvariablespeedDCdrivetechnicalpositioninthefieldofelectricdrive.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology，promotingthedevelopmentofACvariablespeedtechnology，topromotetheapplicationanddevelopmentofmodernACvariablespeedtechnology，atpresent，hasbeenbeyondthemodernACvariablespeedDCconvertertechnologytrends.KeywordsACvariablespeedtechnology；DCconvertertechnology；applicationanddevelopment引言近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。1现代交流调速技术的应用1.1变级调速系统的应用所谓变级调速就是有效调节旋转磁场使其运行速度一致，这是最简单的调节方法。采用交流调技术就是通过利用电动机的改接技术，实现电机从一个级数到另一个级数的转变，从而实现了不同步电动机的有级调速。变级调速系统操作简单、设备价格低，工作轻松且具有可靠性，但仅限于有级调速，其速度一般可分为两种速度，在现实中三种速度以上的变级电机，由于结构复杂、操作繁琐等原因，在现实中很少应用。电机绕组设计是采用变级调速技术的关键，因此，最佳的电机技术性能指标就是采用最少的绕组线圈改接与引出头。1.2串级调速系统的应用串级调速系统也称为绕线转子不同步电动机串级调速系统，其原理是将电动机转差功率加以利用的一种节能、高效、经济实用的调速方法。在转子回路中串入阻值大小不相同电阻，从而得到电动机不同斜率的机械性能，有效实现了电动机的速度调节功能，这是传统改变电动机转差率的方法，同时也是一种简短的操作方法，缺点是调速是有级的、不平滑，并且由于电动机的转差功率大多都消耗在电阻发热上面，降低了转差效率。随着大功率的电子器件产品的诞生，传统采用在转子回路中串联的电阻转变为晶闸管功率变换器，有效实现转差功率的作用，同时也构成了晶闸管串级调速系统，是由绕线不同步电动机与串联晶闸管变换器两者组成。这种方法的采用，不仅增加了转子回路中的电势，同时也改变了转子回路中的转差功率值，因此，也改变了不同步电动机的功率因数。①1.3变频调速系统的应用变压变频调速系统是各种不同步电动机调速系统中，具有高效率、高性能的最好的调速系统。变夺变频调速系统的调速原理是，同时对定子电源电压与电源频率进行有效调节，在这种情况下，机械特性大体上处于上平行移动状态，而电动机的转差功率保持不变。变频调速系统是现代交流调速的主要发展趋势。变频调速系统具有高效率性、高性能、高精度性以及宽调速范围等优势，是现代最具有发展前景的调速方式。现代交流电动机变频调速系统分为很多种，例如最早的电压源型变频器、电流源型变频器、脉宽调制型变频器等。1.4调压调速系统的应用不同步电动机电机转矩与输入电压基波的平方成正比的关系，因此有效改变电动机电机的电压，可以有效改变不同步电动机的机械特性等，有效实现了不同步电动机的调速功能。不同步电动机调压调速是一种操作比较简单的调速方法。在二十世纪五十年代以前，工业电动机调速方法是采用串饱和电抗器的方式，对电动机进行调速。随着科学技术的不断发展，现代大多采用双向晶闸管调压的方式实现电动机的交流调压调速功能。采用双向晶闸管调压的方式主要有两种：一种是整周波斩波控制方法调压，而另一种是相控技术。但采用整周波斩波控制方法的缺点是调速不平滑，因此，在实际应用中大多数工业都采用相控技术。2现代交流调速技术的发展现代交流调速的法阵可分为几个阶段20世纪60年代中期,德国的Achonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想,他们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中,为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。从此,交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展。2.1电力电子器件的蓬勃发展电力电子器件是现代交流调速装置的支柱,其发展直接决定和影响交流调速技术的发展。迄今为止,电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件(第一代)→自关断器件(第二代)→功率集成电路PIC(第三代)→智能模块IPM(第四代)四个阶段。20世纪80年代中期以前,变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。20世纪80年代中期以后用第二代电力电子器件GTR(GiantTransistor)、GTO(GateTurnOffthyistor)、VDMOS-IGBT(InsulatedGateBipolarTransis2tor)等创造的变频装置在性能与价比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继展,第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频器的主流产品,中、小功率的变频调速装置(1—100kw)主要是采用IGBT,中、大功率的变频调速装置(1000—10000kw)采用GTO器件。20世纪90年代至今,电力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为:(1)高压IGBT器件,(2)IGCT(InsulatedGateControlled。由于GTR、GTO器件本身存在的不可克服的缺陷,功率器件进入第三代以来,GTR器件已被淘汰不再使用。进入第四代后,GTO器件也将被逐步淘汰。第四代电力电子器件模块化更为成熟。如智能化模块IPM、专用功率器件模块ASPM等。模块化功率器件将是21世纪主宰器件。需要指出的是,以上所述的全控型开关功率器件主要应用于异步电动机变频调速系统中,其原因众所周知。但是目前同步电动机变频调速系统中仍采用晶闸管,其原因也是众所周知的。一代电力电子器件带来一代变频调速装置,性价比一代高过一代。在人类社会进入信息化时代后,电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是21世纪最重要的两大技术。电压或电流中的谐波分量,从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动,提高了电机的工作效率,扩大了调速系统的调速范围。2.2脉宽调制(PWM)技术脉宽调制(PWM)技术种类很多,并且正在不断发展之中。基本上可分为四类,即PWM法、正弦PWM法(SPWM)、磁链追踪型PWM法及电流跟踪型PWM法。PWM技术的应用克了相控原理的所有弊端,使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流,提高了电机的功率因数和输出功率。现代PWM生成电路大多采用具有高度输出口HSO的单片机(如80196)及数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor),通过软件编程生成PWM。近年来,新型全数字化专用PWM生成芯片HEF4752、SLE4520、MA818等达实用化,并已实际应用。2.3矢量变换控制技术及直接转矩控制技术众所周知,直流电动机双闭环调速系统具有优良的静、动态调速特性,其根本原因在于作为控象的他励直流电动机电磁转矩能够容易而灵活地进行控制。而交流电动机是个多变量、非线性、强藕合的被控对象,作为变频系统的控制对象———它是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以控制呢。1975年,德国学者FBlaschke提出了矢量变换控制原理,成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制,在定向于转子磁通的基础上,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程,在理论上实现了重大突破,从而使得交流调速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。矢量控制的关键是静止坐标轴与旋转坐标轴系之间的坐标接转矩控制也是一种很有前途的控制技术。目前,采用IG2BT、IGCT的直接转矩控制方式的变频调速装置已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。2.4微型计算机控制技术随着微机控制技术,特别是以单片微机及数字信号处理器SP为控制核心的微机控制技术迅速发展,现代交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。当今模拟控制器已被淘汰,全数字化的交流调速系统已普遍得到应用。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高,许多难以实现的复杂控制,如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解藕控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等,采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没有微机的支持是不可能真正实现的。此外,微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能,特别是故障诊断技术得到了完全的实现。微机控制技术的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性,降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。用于交流调速系统的微处理器的发展经历了单片机(MCS)→数字信号处理器(DSP)→精简指令集计算机(ReducedInstructionSetComputerRISC)三个阶段。3现代交流调速系统的类型现代交流调速系统由交流电动机，电力电子功率交换器，控制器和检测器等四大部分组成。电力电子功率变换器，控制器，电量检测器集中于一体，称为变频器（变频调速装置）。交流电机的不同，繁衍出不同的交流调速系统。因此现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。目前较为常用的三种方案，他们是异步电动机交流调速系统：（1）异步电动机交流调速系统。（2）开关磁阻电动机的交流调速系统（3）同步电动机调速系统。4现代交流调速技术的发展研究4.1新型电力电子器件的研制限制现代交流调速技术中电力电子技术应用的因素主要有以下四个方面：（1）是指基于电力电子技术的控制手段与控制策略的因素；（2）是指电动机变换器的结构限制因素；（3）是指电子电子器件的性能限制因素；（4）是指电力电子器件的价格因素。伴随着现代交流调速技术的发展，电力电子器件由