现代电气传动及控制技术的发展.doc

现代电气传动及控制技术的发展1 电气传动技术概述电气传动技术，是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品的技术。是通过合理使用电动机实现生产过程机械设备电气化及其自动控制的电气设备及系统的技术总称。一个完整的电气传动系统包括三部分：控制部分、功率部分、电动机。2 电气传动优点（1） 电机的效率高，运转比较经济；（2） 电能的传输和分配比较方便；（3） 电能容易控制，因此现在电气传动已经成为绝大部分机械的传动方式，成为工业化的重要基础。传动方式的一种，有机械式如摇臂之类，有压力如液压传动，而通过控制电机来传动的方式就是电气传动。3 电气传动技术的发展史电气传动技术诞生于20世纪初的第二次工业革命时期，电气传动技术大大推动了人类社会的现代化进步。它是研究如何通过电动机控制物体和生产机械按要求运动的学科。随着传感器技术和自动控制理论的发展，由简单的继电、接触、开环控制，发展为较复杂的闭环控制系统。自从人类发明并掌握各种机械帮助自己劳动以来，就需要有推动机械的原动力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和风力，后来又发明了蒸汽机、柴油机、汽油机，19世纪才发明电动机。20世纪60年代，特别是80年代以来，随着电力电子技术、现代控制理论、计算机技术和微电子技术的发展，逐步形成了集多种高新技术于一身的全新学科技术一现代电气传动技术。4 电气传动的主体电动机电动机分为交流电动机和直流电动机。二者的结构、工作原理不同，所需的电气传动装置也不同。电气传动可分为两类：直流电气传动和交流电气传动。由于历史上最早出现的是以蓄电池形式供电的直流电动机，所以直流传动也是唯一的电气传动方式。直到1885年意大利都灵大学发明了感应电动机，而后出现了交流电，解决了三相制交流电的输变问题交流电气传动才出现。20世纪80年代之前,直流电气传动在高性能的电气传动领域占绝对统治地位。此后,随着电力电子技术和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,交流电气传动得到了快速发展,静动态性能可以与直流电气传动相媲美。因此交流电气传动在高性能的电气传动领域所占比例逐年上升,目前已处于主导地位。 4.1 直流电动机传动直流电动机的转速n的表达式为： 式中: Ua 电动机电枢两端的电压；Ia 电动机电枢回路电流； R 电动机回路电阻； Ke 电动机电势常数； 电动机励磁磁通。直流电气传动控制技术的发展经历了以下演变过程：开环控制单闭环控制多闭环控制；分立元件电路控制小规模集成电路控制大规模集成电路控制； 模拟电路控制数模电路混合控制数字电路控制；硬件控制软件控制。 4.2 交流电动机传动 交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。按照异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分：一部分是拖动负载的有效功率P1=(1-s) Pm，另一部分是转差功率Ps=sPm。转差功率是评价调速系统效率高低的一种标志，因此交流异步电动机调速方式分三类： 一是转差功率消耗型调速, 即把全部转差功率转化成热能消耗掉。该调速方式结构简单，但效率低，而且转速越低，效率越低；二是转差功率回馈型调速，即转差功率的一部分转化成热能消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化为机械能予以利用。该调速方式结构复杂，但效率比第一类高；三是转差功率不变型调速，即无论转速高低，消耗的转差功率基本不变。该调速方式结构复杂，但效率最高。在异步电动机的各种调速方式中，效率最高、性能最好、应用最广泛的是变压变频调速方式。它是一种转差功率不变型调速，可以实现大范围平滑调速。同步电动机没有转差，当然也没有转差功率，所以同步电动机调速只能是转差功率不变型调速。而同步电动机转子极对数固定，因此只能采用变压变频调速方式。交流电气传动控制模式的发展经历了以下演变过程:转速开环的恒压频比控制转速闭环转差频率控制矢量控制解耦控制模糊控制；分立元件电路控制小规模集成电路控制大规模集成电路控制；模拟电路控制数字电路控制；硬件控制软件控制。5 现代电气传动的物质基础电子电力器件 1957年世界上第一只晶闸管(SCR)的问世标志着电力电子学的诞生，从此，电力电子器件的发展日新月异。从20世纪60年代第一代半控型电力电子器件一晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的全控型电力电子器件 CTR，GTO，MOSFET，第三代复合场控制器件一IGBT，SIT，MCT等和正蓬勃发展的第四代模块化功率器件一功率集成电路(PIC)，如智能化模块IPM和专用功率器件模块ASPM等。6 智能化传动系统电气传动正面临着一场革命，是说它正在向智能化迈进。上百年来研究电动机只是实现了自动化，现在再进入到一个智能化，也就是一个系统优化的问题。优化的焦点是把微电子技术、电力电子技术、传感技术融人到电气传动的领域，这三者构成“大电子体系”，只有这样的大电子体系，才能带动、改造传动产业升级换代。这样的融入能把物料流、能源流、信息流三者汇流在一起，形成当代的智能化传动系统。7 人工智能在电气传动领域的发展概况人工智能控制技术一直没能取代古典控制方法。但随着现代控制理论的发展，控制器设计的常规技术正逐渐被广泛使用的人工智能软件技术(人工神经网络、模糊控制、模糊神经网络、遗传算法等)所替代。这些方法的共同特点是：都需要不同数量和类型的必须的描述系统和特性的“a priori”知识。由于这些方法具有很多优势，因此工业界强烈希望开发、生产使用这些方法的系统，但又希望该系统实现简单、性能优异。由于控制简单，直流传动在过去得到了广泛的使用。但由于它们众所周知的限制以及DSP技术的进步，直流传动正逐渐被高性能的交流传动所取代。但最近，许多厂商也推出了一些改进的直流驱动产品，但都没有使用人工智能技术。确信，一旦使用人工智能后，直流传动技术的性能得到进一步的提高。在将来，智能技术在电气传动技术中占相当重要的地位，特别是自适应模糊神经元控制器在性能传动产品中将得到广泛应用。但是，还有很多研究工作要做，现在还只有少数实际应用的例子（学术研究组实现少，工业运用的就更少了），大多数研究只给出了理论或仿真结果，因此，常规控制器在将来仍要使用相当长一段时间。 8 电气传动自动化技术发展总趋势及主要的发展方向电气传动自动化技术发展总趋势是：交流变频调速逐步取代直流调速、无触点控制取代有接点逻辑控制、全数字控制与数模复合控制并存。电气自动化技术的发展是由用户的需求和相关学科的技术发展所推动的，他直接涉及改善电气传动的性能、价格、尺寸、能源消耗与节约设计，调试等方面。其主要发展方向有：（1） 实现高水平控制；（2）开发清洁电能的变流器；（3）系统化；（4）CAD技术；（5）缩小装置尺寸。9 总结 虽然使用人工智能技术的实际产品和应用还不多，但不久的将来，人工智能技术在电气传动领域将会取得重要的地位，特别是自适应模糊神经控制器将在高性能驱动产品中得到广泛使用。 在电气传动技术的发展过程中，虽然各个学科所起的作用不同，但它们相互促进、交叉融合。现代