现代交流调速技术的现状与发展

现代交流调速的现状与发展一、 现代交流调速技术的历史在实际应用中，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。从19世纪90年代初第一条三相输电线路建成到20世纪60年代末电力工业的发展大体形成这样的格局：99.999%的电能由同步电机发出，其中60%〜70%的电能通过各种电机加以利用，交流电机占80%左右，但是大多数为人为不变速的异步电机直接拖动。剩余20%需要变速运行的高性能传动系统中，直流电机一直占据主导地位。直流电动机具有调速优良，数学模型简单，转矩易于控制的优点。其换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。也正是由于这个特点使得直流电动机存在着不可避免的缺陷：机械换向器和电刷造价偏高；维护困难；使用环境受限；寿命短；在容量发展上受限制。直到I960年，品闸管研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。随着电力电子技术的发展，使得采用半导体开关器件的交流调速系统得以实现。交流电动机的调速系统不但调速性能可以与直流电动机调速系统相媲美，而且和直流电动机相比还具有结构简单、坚固耐用、体积小、转动惯量小、价格低廉、重量轻、动态响应好、维护费用低，可靠性高的优点。近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的应用，使运动控制系统向智能化的方向发展。在现代运动控制系统中，常使智能控制与传统PI控制相互结合，取长补短，既保证了系统的控制精度，又增加了系统的自学习、自调整及决策能力，提高了系统的鲁棒性。目前在电气传动领域中，现代交流调速技术已有取代直流调速技术的趋势。二、 现代交流调速技术的现状进入21世纪以后，交流调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实。目前，交流调速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；2）高性能的交流调速系统和伺服系统；3）特大容量、极高转速的交流调速。交流电动机有异步电动机和同步电动机两大类，而两类电动机又有不同类型的调速方式。常见的交流调速方法有：①降电压调速；②转差离合器调速；③转子串电阻调速；④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等；按照交流异步电动机原理，从定子传输到转子的电磁功率Pm分成两部分：一部分Pmech=（1-s）Pm是拖动负载的有效功率，称做机械功率；另一部分Ps=sPm是传送给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。从能量转换的角度看，转差率是否增大，能量是否被消耗还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电动机的调速系统分成三类：（1）转差功率消耗型调速系统；这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。（2）转差功率馈送型调速系统；在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第④种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。（3）转差功率不变型调速系统；在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。其基本原理课由交流异步电动机的转速公式：n=60fi（1一s）/P而得出，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率f「同步转速n。随之改变，就可以平滑地调节转速n，从而实现异步电机的无级调速。由于当磁通太弱，不会充分利用电机的铁芯，造成资源浪费，但是当过分增大磁通，又会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，所以进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素：保持电机中每极磁通量om为额定值不变。 由定子每相电动势E=4.44fNk①可知，只要控制好E和f，便可达到控制磁通①的目的，s 1sNsm g1 m对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。在基频以下，有三种协调控制方式（保持定子磁通、气隙磁通和转子磁通恒定的控制方法）。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒E"1控制的性能最好。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。在各种异步电机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统。变压变频调速系统在调速时，须同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，而转差功率不变，它是当前交流调速的主要方向。变频调速具有高效率、宽调速范围和高精度等特点，是运用最广最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从60年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交-交变频调速、交-直-交变频调速、同步电动机自控式变频调速系统、正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速、矢量控制变频调速等。电力电子技术的发展和新型电力电子器件的出现，使变频装置的快速性、可靠性及经济性不断提高。但是变频调速需要一套输出电压和频率能在较宽的范围内连续协调控制的变频电源，价格相对比较昂贵，并且输出的电压、电流波形往往是非正弦的，含有各种谐波分量，对电网产生污染。这些谐波在电机中产生的谐波磁场对气隙比较小的异步电动机来讲，往往会引起损耗增加，产生振动和噪声等许多不良的影响，所以对异步电动机在变频条件下的工作特性和谐波分量的深入分析、变频电源的选择及其控制策略的研究是异步电动机变频调速技术中的几个热点问题。同步电动机没有转差率，也没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型的，而同步电动机转子极对数又是固定的，因此只能依靠变压变频调速，没有像异步电动机那样的多种调速方式。在同步电动机的变压变频调速系统中，从频率控制的方式来看，可以分为他控变频调速和自控变频调速两类。后者利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电动机中电刷和换向器的作用，因此又称为无刷直流电机调速。从控制方法上看，又可以将交流调速系统分为两大类：第一类只基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。另一类基于交流电动机的动态模型，其能实现高动态性能，是随着客观与研究成果陆续开发出来的。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：基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；基于电流环跟踪的CHPWM控制；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，因此目前应用最广。三、现代交流调速系统的发展前景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。上世纪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。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。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。年来计算机仿真技术在各行各业得到了广泛的应用，特别是在进行复杂系统（如交流变频调速系统）的设计时，采取计算机仿真方法来分析和研究其性能是非常有效和必要的。传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模，其直观性、灵活性差，编程量大，操作不便。随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现，实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现。