电气传动控制系统.doc

电气传动控制系统1 电气传动控制系统1.1 电气传动自动控制系统优化设计方法研究概述电气传动系统又称电力拖动系统,是以电动机作为原动机的机械系统的总称。其目的是为了通过对电动机合理的控制,实现生产机械的起动,停止,速度、位置调节以及各种生产工艺的要求。随着技术的进步及社会对环保、节能要求的日渐严格,电气传动系统在社会各方面的使用越来越广泛。如何优化、设计电气传动系统,以实现更低廉的成本、更好的性能就具有十分重要的意义。 近年来许多新理论新策略应用于电气传动系统中,并获得了良好的效果。但对大部分系统而言,其基本的闭环控制结构、利用调节器对控制对象进行校正以使系统符合要求的方法基本未变。所以,我国电气传动系统设计领域的权威专家陈伯时教授总结出的调节器的“工程设计方法”,目前在实际设计中仍然是主流设计方法。如何设计出优秀的调节器依然是电气传动系统优化设计的主要内容。因此借鉴了“工程设计方法”的基本思想,以电气传动系统的优化设计为目的,在现有的调节器“工程设计方法”基础上,采用其采用少量典型系统、分步设计的基本设计思路,以系统闭环幅频特性峰值、调节时间最小为最优化原则,分别针对典型、型系统研究出一套更能满足实际工程需要的设计方法。并总结出了便于设计者使用的参数、性能指标值计算公式及图表。针对交流电机矢量控制系统鲁棒性差的问题则进行了研究并提出了优化方案。 利用MATLAB编程和SIMULINK仿真对所设计的系统进行验证,结果表明针对典型、型系统的设计方法所设计出的系统性能指标及设计灵活性均好于“工程设计方法”;针对典型型系统的设计方法则是“工程设计方法”所未涉及而又实际需要的,故填补了“工程设计方法”的空白;在交流电机矢量控制系统中引入复合磁链观测器及双层模糊控制器后,系统的鲁棒性及性能得到了提高。1.2 信息化时代的电气传动技术 当前世界上正处于信息化的时代，而我国工业化尚未完成，以信息化带动工业化是我们的重要任务。电气传动是工业化的重要基础。正如人体，信息技术好比大脑和神经，生产机械好比四肢，电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼，大脑再聪明，如果肌肉与骨骼不灵，人体也只能瘫痪。当然电气传动也要适合信息化时代的需要而发展。信息化时代的电气传动技术包含三方面的主要内容：（1）数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段，（2）电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口，（3）可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实。 当前，世界这艘航船正行驶在信息化的海洋中，信息技术已成为推动生产力发展的重要动力。我国在生产力特别是科学技术方面总体上虽然还比较落后，但在党中央的英明领导下，正迎头赶上信息化的浪潮，信息产业及其应用正在蓬勃发展，成为覆盖现代化建设全局的战略举措。然而，许多先进的工业国家是在完成了工业化的历史任务后向信息化的时代迈进的，他们开发信息产业具有雄厚的基础。而我国还是以农业为主的国家，根据去年第5次人口普查的统计，乡村人口还占总人口的63.91%,我国的工业化尚未完成，基础工业还比较薄弱。所以必须在发展信息化的同时，特别强调“以信息化带动工业化”，才能“发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”（中共中央十五届五中全会公报）。 所谓电气传动，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。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。由于（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。 在信息化浪潮中，信息技术带动着先进生产力的发展，这是无可争辩的事实。因此，人们多热中于通信、计算机以及软件等行业，电气传动技术多少有些受到冷淡。但必须注意的是，电气传动是工业化的重要基础，信息本身并不能直接让机器转动，信息技术必须通过电气传动才能带动工业化。正如在人体中，信息技术好比是大脑和神经，生产机械好比是四肢，电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼。大脑再聪明，如果肌肉和骨骼不灵，人体也只能是瘫痪的。当然，电气传动技术也必须在信息技术的推动下，适应信息化时代的需要而向前发展，才能真正成为以信息化带动工业化的关键环节。 1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段 最早的自动控制手段是机械控制，后来逐步让位于电气控制和电子控制。近代的电气传动控制手段几乎都是电子控制，常用的电子控制方法有两种：模拟控制和数字控制。自20世纪70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电子控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。目前，常用的微处理器有：单片机（SCP）、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)和包含微处理器的高级专用集成电路(ASIC)。 由于计算机除一般的计算功能外,还具有逻辑判断和数值运算的能力，因此数字控制和模拟控制相比有两个突出的优点：（1）数字控制器能够实现模拟控制无法实现的各种比较复杂的控制策略，（2）数字控制系统能够完成故障的自诊断，提高诊断过程的智能化。 2 电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口 电力电子技术是信息流与物质/能量流之间的重要纽带，如果没有电力电子变换，没有弱电控制强电的接口，则信息始终就是信息，不可能真正用来控制物质生产。现在，电力电子技术的发展正处于壮年期，新的电力电子器件和变换技术仍在不断涌现出来。 电力电子器件的发展已经经历过三个平台：（1）晶闸管（SCR）,（2）GTR和GTO，（3）IGBT。目前，市场上能够广泛供应的IGBT其电压和电流容量有限，一般只够中、小容量的低压电气传动使用。容量再大时，还得采用GTO，而GTO的可靠性总是不能令人满意的。于是世界上很多电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件，已经问世的有IGCT,IEGT以及3300-6000V的IGBT等，可供中压、大容量电气传动使用。电力电子器件的进一步发展方向是；模块化和集成化、高频化、改善封装、采用新材料（如SiC）等。 在电力电子变换器中，用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波器或PWM变换器，以及晶闸管相控整流器。用于控制交流电机的主要是变压变频器，其中中、小容量的多为PWM变换器。常用的交流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）基于电流滞环跟踪的CHPWM控制； （4）电压空间矢量控制（SVPWM控制），或称磁链轨迹跟踪控制。 在以上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种则以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。显然第4种的效果最好，而且是直接控制功率器件的开关状态，算法简单，故应用最广。 随着电力电子变换器的日益普及，谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害”越来越值得重视。解决这个问题的办法有二：（1）采用有源滤波和无功补偿装置，（2）开发“绿色”电力电子变换器。后者要求功率因数可控，各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度，显然这是一种治本的办法。 目前已经应用的绿色变换器有：双PWM交-直-交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等。受到普遍重视还在开发的有：交-交矩阵式变换器，它具有输入电流和输出电压都接近正弦波、能量传输可逆、可省去直流滤波电容等优点，但主电路略嫌复杂，如果能成功地开发出双向IGBT模块，则结构可大为简化。 3 可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实 直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的可控性能，高性能可调速传动一般都用直流电机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电机，这种分工在当时已成为举世公认的格局。直到20世纪70年代，由于采用电力电子变换器的高效交流变频传动开发成功，结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域，一直被认为天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。此后，交流调速传动主要沿着下述三个方向发展和应用：（1）一般性能的节能调速和工艺调速，（2）高性能交流调速系统，（3）特大容量、极高转速的交流传动。 交流电机主要分异步电机和同步电机两大类。异步电机调速传动种类繁多，以其转差功率的去向来区分有三大类：（1）转差功率消耗型调速如降电压调速、绕线电机转子串电阻调速；（2）转差功率回馈型调速如绕线电机串级调速、内馈斩波调速、双馈调速；（3）转差功率不变型调速如变压变频调速、变极对数调速。各种调速方法各有其用途，目前应用最普遍的是笼型转子电机变压变频调速。同步电机没有转差功率，故其调速只能是转差功率不变（恒等于0）型的，只能靠变压变频调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法。1.3 交流传动在我国的应用和展望一 我国变频技术应用现状国内变频调速技术经过十多年的应用推广 , 得到了飞速发展 。变频器己广泛应用于国民经济的各个行业。 促进了节能改造, 极大地提高了我国工业电气传动水平。但推进的力度 还不够 , 变频器应有的潜能还远没有充分发挥出来 。1997 年统计全国需进行调速改造的变频器市 场大约有1500亿元人民币 ( 不包括后来新增的需调速设备 ), 但到 2001 年 , 改造不到10%( 包括高效节能电机的使用在内 ) 。距离国家 电机系统节能计划 投资500 亿元进行发展 的要求相距甚远。这里有我国电网结构问题, 耗能大, 浪费多的电机设备多集中在大型企业, 主要是那些高压电风机与水泵上 , 据有关资料统计报道 , 我国风机、水泵、空气压缩机总数 大约 4200 万台 , 装机容量约 1.1 亿万千瓦。然而实际情况大多是大马拉小车、无论轻载重 载都以一种恒速的方式运行。实际工作效率只有 60-40%, 损耗电能占总发电量的 40% 。多数 情况 , 设备不能跟随工作状况的变化及时调整运行设备的速度, 造成电能浪费 , 生产成本提高, 效益降低, 甚至造成环境污染。其原因包括技术，电网，资金和认识等问题。变频调速技术的应用和推广，在工业生产中无非是解决两大问题：一是节能，二是改善生产过程。与此相对应的更多的是低压供电变频器的需求。除去低压供电的小功率风机泵类以外，还有许多行业要求变频器不仅具有很好的速度控制精度，还要有快速的，精确的力矩控制性能。比如金属加工行业中的带材轧制过程，线材轧机，拉丝机械，铣面，纵剪，复合加工，连铸连轧，酸洗，矫直，剪切等等。这些工艺过常常要求多台电机之间要有精确的速度配合，或是要求力矩能快速的跟随负载的变化而变化。这些特性同时也是造纸行业，纺织印染行业，化纤行业，橡塑行业，印刷，包装，胶片制备和涂布等等行业所需要的。上述各类加工过程，其产品的质量和产量除和加工机械有关外，还依赖于电气传动设备以及电气系统的构成水平。还有一些对控制要求特殊的应用，比如提升机应用。提升机广泛的用于沿海沿江的港口码头，集装箱集散地，工矿企业，电站航天造船等大型设备的安装场合。他不仅要有精确的速度控制特性，还要有极好的力矩控制特性。力矩控制的精确度和响应快慢是衡量电气传动技术的重要指标。因为这一类纯位势负载的特性是被提升物一旦离开地面便没有了依托，物体在悬空状态下的升降或停住完全靠电气传动进行控制，起安全保护作用的抱闸的开闭必须精确控制，且传动必须能记忆提升力矩，以配合抱闸的开闭实现无跳变的速度控制过程，避免溜车造成的损害。有与此类似要求的应用场合还有电梯，立体仓库的物料运输机，高炉的卷扬机等设备。满足这类应用场合要求的传动设备就不是简单的通用变频器能完成的了。除要求电气设备的硬件有过硬的可靠性外，还要有特殊的专用软件，专门适合这类负载的全部控制需要：提升过程中的速度力矩控制要求，力矩记忆，抱闸控制，全程的速度力矩跟踪，校验，监视。岸机的稳定性监视和限制。在这类应用中，ABB公司具有标准的产品系列和专用软件。在世界各国的海港，集装箱码头，应用极其普遍。小容量的应用场合也有其他品牌在使用，比如安川公司的产品。特殊应用中的另一大类是张力控制。张力控制的只要应用对象是卷取机，卷取机是卷取各种成品或半成品的生产机械设备 , 一般都是处于生产线最后一道工序 , 卷取设备的机械和电气性能 , 直接影响着成品或半成品的质量 , 因之是关键性设备之一 。 同时卷取的过程还与前几道工序之间 有密切的联系 , 例如速度的同步性 , 速度的精度、速度的稳定性等 。而卷取的工艺过程又有它的特殊性 。 为此无论机械设备、电气控制、传动系统等都是比较复杂的 。卷取的失误，在最后一道工序中产生废品，肯定会造成前功尽弃的局面 , 所以他也是关键性设备 , 卷取设备投资较贵的是电气传动控制系统 , 他必须结合被卷取的物料特性 , 厚薄程度 , 物料强度 , 延伸率弹性变形量 , 物料的允许公差 , 卷取物料的直径变动量、重量、卷取速度等诸多因素综合考虑。对不同行业，不同物料的卷取有各种不同的控制方法和于段 , 既要保证卷取的质量又要尽可能减少设备的投资。二 交流变频调速器的类型采用变频的方法，作为交流异步机的供电电源，实现对电机的