现代交流调速技术的应用和发展

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1、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Applicati on

2、and Developme nt of Moder n AC Variable SpeedTech no logyDENG Xiaoxiang, LIU Yuanyi ， MENG Jiaoru(Heil on gjia ng Uni versity of Scie nee and Tech no logy，Harbin，Heilongjiang 150027)Abstract AC variable speed occurs in the nin etee nthcen tury ， comparable to DCconversion tech no logy ， but because

3、of tech ni cal performa nee DC speed tha n AC variable speed performa nee is muchbetter ， so the tech no logy can not replace the traditionalACvariable speed DCdrive technical positionin the field of electric drive. With the continuous development of scie nee and tech no logy， promoti ng the develop

4、me nt of ACvariable speed tech no logy， to promote the applicatio n anddevelopme nt of moder n AC variable speed tech no logy， atpresent， has been beyond the modern AC variable speed DC conv erter tech no logy tren ds.Key words AC variable speed tech no logy； DC conv ertertech no logy ； applicati on

5、 and developme nt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

6、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

7、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

8、此，也 改变了不同步电动机的功率因数。1.3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

9、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

10、几个阶段 20世纪60年代中期，德国 的A chonung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)T自关断器件(第二代)T 功率集成电路PIC (第三代)T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

11、、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 ( Gia nt Tran sistor)、GTO (Gate Turn Of thyistor)、VDMOS-IGBT(I nsulated GateBipolarTran sis2tor)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

12、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(I nsulated Gate Con trolled 。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

13、。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PWMfe(SPWM)磁链追踪型PWMfe及电流 跟踪型PWMfeo 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PW

14、M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

15、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IG2 BT、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

16、，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

17、，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 In structio nSet ComputerRISC)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

18、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，电力电子器件由原来的不可控制到现代的可控制技 术，由原来的低电压等级到现在的高电压等级，同时也促进了各种新型电动机变换器的诞生，形成了各种新

19、的控制理论在工业领域中的应 用与发展。科学技术的发展，推动了交流调速技术的不断进步， 对电 力电子器件提出了更高的要求，有效促进了先进的、新型的电力电子器件的诞生，以满足现代应用系统的高效性、智能性、集成性、统一 性、数字性以及高频性等一系列的发展要求。 与此同时，电力电子器 件应用所产生的谐波，会对电动机电机产生一种转矩脉冲， 不仅增加 了电动机的附加损耗量，也形成了噪音污染，而产生的转矩呈现周期 性的波动，大大影响了电动机电机的调速范围与稳定性，因此电力电子器件应用所带来的污染问题，也是目前研究的重点课题。4.2数字化控制系统为了有效使现代交流调速技术与现代先进的计算机技术、网络技术以及智

20、能技术有效结合，同时还可以有效提高现代交流调速系统的 性能，因此，必须使现代交流调速系统实现全数字化控制。在过去的交流调速系统应用中，广泛应用的是单片机，然而随着新的交流电动 机电机的控制理论的不断推陈出新，电动机电机的控制技术、控制方法以及控制策略等也趋向于复杂性控制、自适应化控制、智能化控制、 模糊化控制、个性化控制等，在现代交流电动机电机的直接矩控制与 入存量控制中得到广泛的应用。随着科学技术的不断进步，单片机受 自身性能限制，已无法满足现代社会发展的需求。5结语随着科学技术的不断发展，现代交流调速技术已相对成熟，并在 工业领域得到了广泛的应用。然而随着新的科学技术手段、新的电子 产品以

21、及新的控制方法的诞生，丰富了现代交流调速技术的功能， 满 足了现代工业领域的发展需求，现代交流调速技术的应用与发展具有 很大的发展潜力与空间。项目：东北老工业基地转型升级背景下卓越人才培养模式的改 革与探索，黑龙江科技学院教学研究基金项目，年限2012.03注释 肖倩华，廖世海，刘华民.现代交流调速技术的应用和发展 J. 科技广场，2009.14（6）： 187-189. 杨晓丽，沈爱弟，俞宏生.现代交流调速技术在船舶电力推进 中的应用J.大连海事大学学报（哲学社会科学版），2009.46（9）： 223-224. 张维竟，刘晓伟，张小卿.船舶电力推进中交流调速技术的应用与发展J.中央民族大学学报（哲学社会科学版），2009.15 （1）: 104-106. 郝绣，柳金华，张阿龙.国外现代交流调速系统的发展及其在船舶电力推进中的应用J.船电技术，2009.25（22）： 109-120. 谭金娃，邢璐璐，李剑影.现代交流调速系统在现代电梯中的应用J.微特电机研究，2009.15（ 2）： 114-116.