调速系统的现状和发展

调速系统的现状和发展 摘要 本文首先对调速系统的现状和发展作了简单介绍 其次调速方法根据性能及 控制方式等不同可分为多种类型 再次详细介绍了交流调速系统的国内外发展及未来发展 趋势等 最终使我们认识到调速系统的重要意义 关键字 调速系统 交流变频 现状和发展 引言 调速技术涉及到电力 电子 电工 信息与控制等多个学科领域 随着 电力电子技术 计算机技术和自动控制技 术的发展 以变频调速为代表的近代交流 调速技术有了飞速的发展 交流变频调速 传动克服了直流电机的缺点 发挥了交流 电机本身固有的优点 结构简单 坚固耐 用 经济可靠 动态响应好等 并且很好 地解决了交流电机调速性能先天不足的问 题 交流变频调速技术以其卓越的调速性 能 显著的节电效果以及在国民经济各领 域的广泛适用性 而被公认为是一种最有 前途的交流调速方式 代表了电气传动发 展的主流方向 交流变频调速技术为节能 降耗 改善控制性能 提高产品的产量和 质量提供了至关重要的手段 调速理论已 形成较为完整的科学体系 成为一门相对 独立的学科 一 调速系统简介 在实际生产 生活当中 有许多由电动 机拖动机械设备将电能转化为机械能的设 施 早期为了控制 调节 使用和操作方 便 除了要求具有能量转换功能外 还需要对 机械设施的运行速度进行变换 由此诞生了 调速技术 调速按电动机类型分直流调速 和交流调速 在直流调速系统中 由于直流 电动机具有电刷和整流子 因而必须对其经 常进行检查 电机安装环境受到限制 例如 不能在有易爆气体以及尘埃多的场合使用 此外 也限制了电机向高转速 大容量发展 而交流电机就不存在这些问题 二者的主要 不同点为 直流电机的单机容量一般为 12 14MW 还常制成双电枢形式 而交流电 机单机容量却可以数倍于它 直流电机由 于受换向限制 其电枢电压最高只能做到一 千多伏 而交流电机可做到 6 10kV 直流电 机受换向器部分机械强度的约束 其额定转 速随电机额定功率的增大而减小 一般仅为 每分钟数百转到一千多转 而交流电机可达 每分钟数千转 直流电机的体积 质量及 价格要比同等容量的交流电机大 直流电 机的上述特点限制了直流调速的发展 促进 了交流调速技术的发展 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 交流变频调速的优越性早 在 20 世纪 20 年代被人们所认识 但受当 时电力电子器件的限制而未能广泛应用 交流调速按控制方式分定子控制和转子控 制 定子控制如多极调速 变压调速和变 频调速等 1 调速方法简介 1 1 液力耦合器调速 液力耦合器需将电机输出的机械轴断 开 加入一个机械的液力耦合器 通过改变液 力耦合器内液体压力来改变主 从动轴转 速差 达到调节负载转速的目的 1 2 电磁滑差离合器调速 电磁滑差离合器是一种在主动轴与从 动轴之间加入一个电磁转差离合器 通过改 变电磁滑差离合器直流励磁电流来改变输 出转矩 使主 从动轴之间产生转速差 达到 调节负载转速的目的 1 3 绕线式电动机转子串电阻调速 绕线式异步电动机转子串入附加电阻 使电动机的转差率加大 可以使电动机在较 低的转速下运行 串入的电阻越大 电动机 的转速越低 1 4 内反馈串级调速法 内反馈串级调速是指绕线式电动机转 子回路中串入可调节的附加电势 达到调速 的目的 在定子绕组线槽内嵌入一个反馈绕 组代替逆变变压器 将转差功率经该绕组反 馈回电网 大部分转差功率被串入的附加 电势所吸收 再利用附加的装置 把吸收的转 差功率返回电网或转换能量加以利用 移 相控制是传统串级调速普遍采用的控制方 法 1 5 串级调速 串级调速是一种外馈式的转子电磁功 率控制 与内馈式相比 基本原理相同 但系 统结构存在逆变变压器转差功率无谓循环 传输问题 调速效率较高但功率因数很低 1 6 变极调速 通过调整电机的极对数来调节电机的 输出转速 1 7 定子调压调速方法 调压调速就是在定子电源系统通过串 联饱和电抗器 自耦变压器以及晶闸管等 设施来改变定子电压 当改变电动机的定子 电压时 可以得到一组不同的机械特性曲线 从而获得不同转速 其特性如下 其调速 范围较小 1 8 变频调速方法 变频调速是通过改变电动机定子电源 的频率从而改变其同步转速的调速方法 变频调速系统主要设备是提供变频电源的 变频器 变频器可以分成为交流 直流 交 流变频器和交流 交流变频器两大类 目前 国内大都使用交流 直流 交流变频器 二 交流调速系统的发展及现状 从电力拖动的发展过程来看 交 直 流两大调速系统一直并存于各个工业领域 虽然由于各个时期科学技术的发展使得它 们所处的地位有所不同 但它们始终是随 着工业技术的发展 特别是随着电力电子 元器件的发展而在相互竞争 随着电力电 子器件 单片机的迅速发展 以及现代控 制理论向交流电气传动领域的渗透 为交 流调速系统的开发研究进一步创造了有利 的条件 2 1 电力电子器件是交流调速装置的支 柱 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 GTO VDMOS IGBT 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 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 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 2 2 单片机技术实现交流调速的数字化 随着单片机以及数字信号处理器 DSP 为控制核心的微机控制技术的迅速发 展 使得交流 调速系统的控制回路有模拟控制走向 数字控制 当今模拟控制器也已经被淘汰 全数字化的交流调速系统已普遍得到拥应 用 数字化使得控制器对信息的处理能力 的幅度提高 许多难以实现的复杂控制 如矢量控制中德复杂坐标变换运算 解耦 控制 滑模变结构控制等 因采用了微机 控制技术后都得到了解决 同时 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 大大降低了调速系统装置的成本 和体积 2 3 脉宽调制 PWM 技术 6 优化了变 频装置的性能 脉宽调制 PWM 技术是种类很多 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 技术是交流调速 系统的控制核心 任何控制算法上最终实 现几乎都是以各种 控制方式完成 3 同时近年来发展的软开关技术克服了硬开 关的缺陷 从而很快被应用到各类电力电 子的变换器中 加快了交流调速装置的快 速发展 2 4 矢量变换控制技术的诞生和发展奠 定了现在交流调速系统的高性能的基础 交流电动机是个多变量 非线性 强耦合的被控对象 采用参数重构和状态 重构的现 代控制理论概念可以实现交流电动机 定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解 耦 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 使交流调速系 统的动态性能得到了显著的改善和提高 从而使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 近年来又派生 出了诸多控制理论 如多变量解耦控制 变结构滑模控制等 二 交流调速系统之国内外发展 长期以来 我国的传动技术特别是交 流调速技术与国外发达国家存在着较大的 差距 但自改革开发以来 这一技术得到 了迅速的发展 并以极快的速度赶了上来 我国在应用变频调速技术上目前虽说 尚处于初级阶段 但其发展速度逐年增长较 快 国家已将该项技术列为 八五 重点攻 关和推广项目 这将加快交流调速在我国 的普及应用 目前国内变频调速技术产业状况如下 1 变频器的控制策略的基础研究与 国外差距不大 2 变频器的整体技术落后 国内虽 有很多单位投入了一定的人力 物力 但 由于力量分散 并没有形成一定的技术和 生产规模 3 变频器产品所用的半导体功率器 件的制造业几乎是空白 4 相关配套产业及行业落后 5 产销量少 可靠性及工艺水平不 高 交流变频调速技术在工业发达国已得 到广泛应用 美国有 60 65 的发电量用 于电机驱动 由于有效地利用了变频调速 技术 仅工业传动用电就节约了 15 20 的电量 国外在高性能大容量交流电机传 动技术的研究和应用上远远走在我们前面 已有更高级别的高压逆变器产品大量投入 市场 并应用于电力机车 船舰电力推进 轧钢 造纸及供水等系统中 交流电机变 频调速技术及其产品已成为一些工业发达 国家的先导产业 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 发达国家依靠他们强大 的科技实力把变频技术推向小型化 高可 靠性 抗公害 多功能 高性能等方向发 展 三 调速系统的未来发展方向 交流变频调速技术是强弱电混合 机 电一体的综合性技术 既要处理巨大电能 的转换 整流 逆变 又要处理信息的收集 变换和传输 因此它的共性技术必 定分为功率和控制两大部分 前者要 解决与高压大电流有关的技术问题和新型 电力电子器件的应用技术问题 后者要解 决基于现代控制理论的控制策略和智能控 制策略的软硬件开发问题 目前主要发展 动向有 1 新的控制策略 异步电动机是一个多变量 强耦合 时变的非线性系统 瞬时转矩的控制困难 使它的动态性能很长时间内不如直流电机 矢量控制技术开创了交流电机高性能控制 的新时代 但矢量控制对电机参数的依赖 很大 使之也有不尽人意之处 磁链跟踪 型 P WM 控制逆变器及与之相关的转矩直 接控制正受到广泛关注 基于现代控制理论的滑模结构控制 自适应控制等均已引入电机控制 又如把 模糊控制 人工神经网络控制 专家系统 等无需精确数学模型的智能控制技术应用 于变频调速中也得到了广泛的研究 2 新型变流装置和变流技术 随着电力电子元器件的不断发展 调 速系统用的变流装置正朝向高电压 大容 量 小型化 高频化的方向发展 中高电 压 1 0 k V 大容量 I O MW 的变频器 已得到了应用 变流主元件的开发频率越 来越高 装置的体积越来越小 为提高开 关频率 降低开关损耗 软开关技术 已经 开始得到实际应用 变流装置对电网的谐 波问题已引起高度的重视 把不控整流桥 改成 P WM 双向整流桥已成为当前的热门 课题 3 全数字化控制 随着微机运算速度的提高和存储器的 大容量化 全数字化控制已成为调速系统 的主流方向 各类单片机和数字信号处理 器 D S P 在调速系统得到了较为普遍的应 用 全数字化控制技术及集成化技术还在 飞速发展 年年都有新的芯片诞生 这不 仅提高了系统的性能和可靠性 降低了成 本 还使控制器向着小型化 智能化的方 向发展 4 模拟与计算机辅助设计技术 电机模拟器 负载模拟器以及各种 C A D 软件的引入对变频器的设计和测试 提供了强有力的支持 变频调速的应用 交流变频调速技术在工业发达国家已 得到广泛应用 美国有 6 0 6 5 的发 电量用于电机驱动 由于有效地利用了变 频调速技术 仅工业传动用电就节约了 1 5 2 0 的电量 结束语 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 术及神经网络技术的发展 和