交直流电机调速技术历史现状及发展趋势

交直流电机调速技术历史、现状及发展趋势xxx（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116）摘要：本文摘录了交直流电动机的原理以及调速技术历史发展的状况，并整理了一些目前较为常用的交直流调速技术，结合所学知识以及查阅相关资料，对交直流调速技术的发展趋势作了一定的分析,最后对交直流调速系统作了总结。关键词：直流电动机、交流电动机、原理、调速技术、历史、现状、发展趋势History,CurrentSituationandDevelopmentTrendofACandDCmotorSpeedControlTechnologyxxx(Schoolofinformationandelectricalengineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,Jiangsu,China)Abstract:ThispapersummarizestheprincipleofAC/DCmotorspeedcontroltechnologyandthehistoryofthedevelopment,andtosortoutsomeofthemorecommonlyusedACandDCspeedcontroltechnology,combinedwiththeknowledgeandaccesstorelevantdata,thedevelopmenttrendofACandDCspeedcontroltechnologyareanalyzed.FinallytheACandDCspeedcontrolsystemissummarized.Keywords:DCmotor,ACmotor,principle,controltechnology,history,presentsituation,developmenttrend1引言能源在我们日常生活中的应用是一个不争的事实，要使能源为我们人类所利用，目前大部分要靠电动机和发电机所实现。而我们在生产过程中，大部分要靠电动机把电能转换为机械能供人类使用。对一些精确控制，调速技术的发展至关重要。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，以前在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。目前交流拖动控制系统的应用领域主要有以下三个方面：（1）一般性能调速和节能调速。在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，如果换成交流调速系统，每台风机、水泵平均都可以节约20%~30%以上的电能。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。(2)高性能的交流调速系统和伺服系统。由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法。常应用在电梯的交流调速系统中。(3)特大容量、极高转速的交流调速。直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。2直流电动机调速技术2.1简介由于直流电动机具有很好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。然而由于直流电机需要设置机械换向器和电刷，因此直流调速存在结构性缺陷：机械换向器结构复杂，成本增加，同时机械强度低，电刷容易磨损，需要经常维护，影响运行可靠性。由于运行中电刷易产生火花，限制了使用场合，不能用于化工矿山炼油厂等有粉尘腐蚀易燃易爆物质或气体的恶劣环境。由于存在换向问题，难于制造大容量高转速及高电压直流电机，最大容量只能达到400-500kw，低速直流电动机也只能到几千千瓦，远远不能适应现代工业生产向高速大容量化发展的需要。但是直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。2.2基本原理他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如图1所示：图1他励直流电动机在额定励磁下的等效电路直流电动机的稳态转速可表示为:KIRUn(1-1)式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻Φ-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;(2)改变电机主磁通。只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;(3)改变电枢电路电阻R。在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。对于要求一定范围内无极平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制直流调速系统往往以变压调速为主。2.3历史、现状及发展趋势直流电动机电力拖动在19世纪中叶诞生，在20世纪前半叶，只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。1960年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流调速技术得到了飞速对的发展。采用可控晶闸管组成整流器的晶闸管整流器-电动机系统，它们在20世纪60年代起得到了广泛的应用。用全控型电力电子器件可组成直流PWM变换器-电动机系统，现在越来越多地取代了晶闸管-电动机系统。主要有以下3个方面：（1）转速反馈控制的直流调速系统；（2）转速、电流反馈控制的直流调速系统；（3）可逆控制和弱磁控制的直流调速系统。目前由于交流调速技术的迅速发展，直流调速技术逐渐被淘汰。3交流电动机调速技术3.1简介交流电机，尤其是笼型异步电动机，由于结构简单，制造方便，造价低廉，坚固耐用，无需维护，运行可靠，更可用于恶劣的环境之中，特别是能做成高速大容量，因此在工农业生产中得到了极为广泛的应用。但是交流电动机调速，控制比较困难，这是由于同步电动机的气隙磁场有电枢电流和励磁电流共同产生，其磁通值不仅决定于这两个电流的大小，还与工作状态有关；异步电动机则电枢与励磁同在一个绕组，两者间存在强烈的耦合，不能简单地通过控制电枢电压或电流来准确控制气隙磁通进而控制电磁转矩，因而不能有效地实现电机的运动控制。3.2原理及调速方法交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。由转速n＝60f（1－s）/p可知异步电动机调速有以下几方法：（1）改变磁极对数p定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。（2）定子调压调速当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。（3）转子变电阻调速当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；同理增大定子电阻，转速增加。转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。（4）电磁转差离合器调速异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。（5）串极调速前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题，是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来，同时又能提高调速性能？串极调速就是在这样的指导思想下提出来的。串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小，从而改变转速。串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。（6）变频调速当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美。现如今，交流电机调速的重点方向在于变频调速。3.3历史、发展及未来趋势1880年前只有直流电力拖动，1895年左右，发明了交流电，就有了交流电力拖动，1960年前，高性能可调速拖动都采用直流电机（20%），不变速拖动系统则采用交流电机（80%），1930年开始，交流调速系统的多种方案出现，并获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现；大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生。一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。（1）自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。(2)开关磁阻电机是一种特殊形式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。交流调速技术已经发展了好多年，有以下几种发展趋势：(1)新的控制策略异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间内不如直流电机。矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，但矢量控制对电机参数的依赖很大，使之也有不尽人意之处，磁链跟踪型PWM控制逆变器及与之相关的转矩直接控制正受到广泛关注。基于现代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于