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交流调速技术概述与发展方向班级：自动化十二班学号：04111539姓名：王慧广摘要：从电力电子技术、微处理器技术和现代电机控制理论等相关技术的角度阐述了交流调速技术的发展情况与动向,介绍了先进控制理论在运动控制中的应用,展现出交流调速技术更为广阔的前景。并简要说明了交流调速节能技术的应用以及变频技术在交流调速系统中的应用和高电压、大容量交流同步电动机的调速方法。关键词：交流调速；节能；变频；大容量一、交流调速技术概述随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。1、电力电子器件的代换20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断。因此，由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。70年代后期，用第二代电力电子器件GTR，门极可关断晶闸管（GTO）、功率MOS场效应管为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展，通过对这些器件门极（基极、栅极）的控制，既能控制导通又能控制关断，又称自关断器件。它不再需要强迫换向电路，使得逆变器构成简单，结构紧凑。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关速度较高的电路。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范围最为流行的器件。与IG2BT相对应，MOS控制晶体管（MCT）则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正在向大功率、高频化和智能化发展。80年代以后进入第三代，出现的功率集成电路，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体。90年代至今进入第四代。实用的第四代器件有：高压IGBT器件、IGCT器件、IEGT器件和SGCT器件等。已用于交流调速的智能功率模块（intelligentpowermodule，IPM）采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温和欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断和自我保护等多种智能功能，既减小了体积，减轻了质量，又提高了可靠性，使用维护也更加方便。模块化功率器件将成为主宰器件。现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有：1）基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；3）基于电流环跟踪的CHPWM控制；4）电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单，与直接的正弦脉宽调制（sPwM）技术相比，svPwM在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。因此目前应用最广。2、矢量控制技术由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。20世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的旋转变换，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。2.1矢量控制新技术磁通的快速控制：在直接磁场定向矢量控制异步电动机变频调速系统中，利用磁链预测值进行磁通快速控制的方法。参数辨识和调节器自整定：基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性系统转动惯量参数的辨识方法。非线性自抗扰控制器：在异步电动机系统的动态方程中，用自抗扰控制器取代经典PID控制器进行控制。矩阵式变换器：一种适用于矩阵式变换器驱动异步电动机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的直接磁场定向矢量控制。2.2矢量控制技术的发展采用高速电动机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。无速度传感器的交流异步电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。永磁电动机驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注。无刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已趋成熟。开关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。3、直接转矩控制技术的现状与展望直接转矩控制是20世纪80年代中期提出的又一转矩控制方法，是继矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术。1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁链、转矩计算，通过磁链跟踪型PWM逆变器的开关状态，实现直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量控制的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的静动态性能受到普遍的注意和得到迅速的发展。3.1直接转矩控制新技术直接转矩无差拍控制是基于离散化直接转矩控制系统提出来的一种控制方法。无差拍控制可以在一个控制周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差，消除由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速状态，扩大了调速范围。转矩（磁链）跟踪预测控制方法认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化，没有考虑磁链模值的控制问题。对磁链和转矩都进行了预测跟踪控制，控制效果明显优于单纯的转矩跟踪预测控制。直接解耦控制（DDC）有两种方法，一种是预测直接解耦控制，另一种是使用PI调节器的直接解耦控制。直接解耦控制方法具有很好的动、静态特性，能够在很大程度上消除转矩脉动，即使在极低速条件下，转矩脉动也非常小。PI调节器控制是使用PI调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制技术，其中磁链调节器A7R和转矩调节器ATR都使用PI调节器，通过两个PI调节器给出相应定子电压分量，提高控制系统对参数变化的鲁棒性，同时也减少了控制算法的计算量。3.2直接转矩控制的发展方向随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破：一是交流调速向高频化方向发展，进一步提高控制性能，消除脉动，其中空间矢量脉宽调制软关断技术又是重点；二是与智能控制相结合，使交流调速系统的性能有一个根本的提高，这是直接转矩控制的未来。4、先进控制理论在运动控制中的应用近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息。除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。最新的无速度传感器产品则用电压电流模型和磁通模型构成速度观测器，在不同的速度区段，利用切换的办法取得更好的速度观测效果，称为双观测矢量控制系统。此外，采用高速CPU芯片，信号处理更快，使系统在极低的转速下也能够获得良好的转矩特性与高速响应。无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。微电子技术的发展，微型计算机功能的不断提高，使交流变频调速系统逐步向全数字化控制系统发展。数字化控制系统不同于模拟控制系统，它的主要任务是设计一个数字调节器。常用的控制方法有：程序和顺序控制、直接数字控制、PID控制、最优控制等。其中，数字式PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法。PID控制经过40多年的应用和发展，从I型发展到W型，性能不断提高，积累的经验越来越多，在工业控制中得到广泛的应用。微型计算机在PID控制中的应用，又使PID控制得到进一步发展，出现非线性PID控制算法、选择性PID控制算法、自适应PID控制算法和模糊PID控制算法等。所有这些算法都是在基本PID算法的基础上发展起来的。4.1模糊控制和神经网络控制模糊控制是根据人工控制规则组织控制规则决策表，采用人类思维中模糊量、控制量，由模糊推理导出。典型应用如：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器等。神经网络控制是人脑神经系统的某种简化抽象和模拟，由大量的简单的神经元互相连接形成的高度复杂的非线性网络系统，具有逼近任意非线性函数的功能、高容错性、多输入输出特性，易用于多变量系统的控制。4.2鲁棒控制和自抗扰控制器鲁棒控制是针对时间域或频率域来说的，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。算法不需要精确的过程模型，但需要离线辨识。近年来，在多电机协调控制中有重要的应用。自抗扰控制器利用非线性结构克服经典PID的缺陷，抵消和估计出异步电动机高阶、非线性、强耦合的多变量系统中，同步旋转坐标系中定子电压方程存在的非线性耦合作用，使电机定子电流的转矩分量与励磁分量的相互影响，主要用于异步电动机的非线性控制。二、交流调速节能技术的应用1、交流电动机常用调速方法技术分析交流电动机的调速方法实际上只有两大类。一类是在电机中旋转磁场的同步转速sn恒定的情况下调节转差率S，如调压调速等；而另一种是调节电机旋转磁场的同步转速sn，如变频调速和变极调速。1.1调压调速调压调速是通过改变电动机定子电压改变电动机转差率，从而实现调速。这种调速方法比较适用于带动风机、水泵的异步电动机。其原因是：由于风机负载转矩特性2nZKT，当转速n降低时，负载显著减小，它可以稳定运行于电动机机械特性的非线性段，因而得到较低的转速，扩大了调速范围。在降压运行时，电动机的磁化电流可以忽略不计，则电机的电磁转矩T正比于转子电流2T的平方。当增加转差率S，为使电流保持额定值不变，电机的转矩也相应减小，显然这既不适应于恒转矩负载，更不适应于恒功率负载，而较适应风机、水泵负载。风机、水泵负载所需的起动转矩很小，降压后虽然起动转矩随2U而下降，但仍可以满足起动转矩大于负载转矩，不会造成起动困难。同时需要指出的是，调压调速由于转差率S增大，而使电动机转子电阻的损耗增大，因此是一种低效调速方法，通常用于小容量设备上。但由于风机、水泵的功率与转速三次方成正比，而转子的损耗只和转差的一次方成正比，当电动机转速降低时，风机、水泵能耗的下降比电机中损耗的增加要快得多，如转速下降到额定值的90%时，风机、水泵轴功率变为额定时的72.9%，减少了27.1%，而转子中损耗只有额定功率的7.29%，二者相抵，机组的耗电可以减少近20%。1/4调压调速系统能平滑地调节转速，结构简单，控制方便，价格便宜，为了扩大调速范围及限制定、转子电流，希望有较大的转子电阻。因此还需要滑差电机或绕线式异步电动机实现。1.2变频调速变频调速是交流电动机一种最好调速方法。