现代交流调速技术的现状和发展

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度.电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此,调速技术一直是研究的热点。

长期以来,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时,保持励磁电流恒定,可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此,20 世纪80 年代以前,在变速传动领域中,直流调速一直占据主导地位。

近几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低,可靠性更高。目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例,1975 年在调速领域,直流占80 %, 交流占20 %;1985 年交流占80 %, 直流占20 % 。到目前为止,日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外,几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。

因此,采用高效率经济型的交流调速系统来取代原有的直流电动机调速系统,是电机调速发展的新动向。

1.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A Schonung 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。 （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 ( Giant Transistor) 、GTO ( Gate Turn Off thyistor) 、VDMOS-IGBT(Insulated GateBipolar Transis

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tor) 等创造的变频装置在性能与价格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、模块化方向继续发展,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 (Insulated Gate Controlled 。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）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, 即等宽PWM 法、正弦PWM 法(SPWM) 、磁链追踪型PWM 法及电流跟踪型PWM 法。PWM 技术的应用克服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 (Digital Signal Processor) ,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 等达到实用化,并已实际应用。

（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制对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F Blaschke 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IGBT 、IGCT 的直接转矩控制方式的变频调速装置已广泛

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应用于工业生产及交通运输部门中。

（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DSP 为控制核心的微机控制技术的迅速发展,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(Reduced Instruction Set ComputerRISC) 三个阶段。

交流调速技术的发展过程表明,现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展;现代控制理论的发展和应用,电力电子技术的发展和应用,微机控制技术的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。

2.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

3.现代交流调速系统的发展趋势和动向

纵观交流调速技术的发展，有以下几个方面 （1）智能化控制方法对交流调速系统的影响研究； （2）改善交流调速系统效率的方法研究；

（3）中压变频装置的研究； （4）系统可靠性的研究。

根据以上四方面，可以得出现代交流调速技术研究与开发的主要课题。 一，矢量控制系统虽然实现了异步电动机磁通电流和转矩电流的完全解耦，但由于电机参数的不确定性，纯滞后或非线性耦合等特性，以及电机转子参数估计的不准确及参数变化的影响都会造成定向坐标的偏移，这些问题至今国内外并未真正解决，因此，转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研究的攻坚课题。近几年来，在许多工业过程系统中，被控对象往往存在着结果和参数的不确定性，纯滞后或非线性耦合等特性，难以用确定的数学模型描述，因此，用常规线性控制算法难以满足电动机调速性能的要求。模糊控制，人工神经网络等不依赖对象的深层次知识，而是通过输入，输出信息进行仿人思维的只能控制的深层次知识，而是通过输入输出信息进行仿人思维的智能化控制方法开始引入到交流调速系统中，称为交流调速控制的新的研究方向。

二，交流调速系统效率的提高时一个重要的研究方向。要提高调速系统的效率，就必须提高变频器输出效率和改善电机的使用性能。因此，提高调速系统效率的具体解决方法就是开发研制新型的变频器主电路，主要措施是降低电力电子器件的开关损耗。如使电力电子器件措施是降低电力电子器件在零电压或电流下转换，即工作在所谓的软开关状况下，从而使开关损耗降低到零。目前电力电子逆变器正朝着高频化，大功率方向发展，这使内置电压，电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压电流应力，而且在输入引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害称为电磁干扰。抑制电磁干扰的有效方法也是采用软开关技术。具有开关功能的谐振变流器在国内外都积极进行研究与开发。

三，中压变频装置的研究和开发。近年来，随着中压变频器的兴起，中压，大容量的交流调速系统研究与开发逐步走上了实际的应用阶段，尤其是高压全控型功率产生以来，中压变频器的应用趋势迅速加快了。当今多电平中压变频器已成为交流调速研究的新领域，是热点课题之一。