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ApplicationandDevelopmentofModernACVariableSpeedTechnologyDENGXiaoxiang，LIUYuanyi，MENGJiaoru（HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology，Harbin，Heilongjiang150027）AbstractACvariablespeedoccursinthenineteenthcentury，comparabletoDCconversiontechnology，butbecauseoftechnicalperformanceDCspeedthanACvariablespeedperformanceismuchbetter，sothetechnologycannotreplacethetraditionalACvariablespeedDCdrivetechnicalpositioninthefieldofelectricdrive.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology，promotingthedevelopmentofACvariablespeedtechnology，topromotetheapplicationanddevelopmentofmodernACvariablespeedtechnology，atpresent，hasbeenbeyondthemodernACvariablespeedDCconvertertechnologytrends.KeywordsACvariablespeedtechnology；DCconvertertechnology；applicationanddevelopment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，是由绕线不同步电跟踪型PWM法。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,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,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

Instruction

Set

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。目前较为常用的三种方案，他们是异步电动机交流调速系统：异步电动机交流调速系统。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。③4.2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。④5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。⑤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①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）：187-189.②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）