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              交流調速技術推動了交流電機調速的大發展

              發布時間:2019-05-23 21:11:00 點擊:    

               
               

              無錫伯頓起重電機2019年5月23日訊  隨著生產技術的不斷發展,直流拖動的薄弱環節逐步顯示出來。由于換向器的存在,使直流電動機的維護工作量加大,單機容量、最高轉速以及使用環境都受到限制。


              人們轉向結構簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的異步電動機,但異步電動機的調速性能難以滿足生產要求,于是,從20世紀30年代開始,人們就致力于交流調速技術的研究,然而進展緩慢。在相當長時期內,直流調速一直以性能優良領先于交流調速。


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              調速技術的發展歷程
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              60年代以后

              60年代以后,特別是70年代以來,電力電子技術和控制技術的飛速發展,使得交流調速性能可以與直流調速相媲美、相競爭,目前,交流調速已進入逐步替代直流調速的時代。電力電子器件的發展為交流調速奠定了物質基礎。50年代末出現了晶閘管,由晶閘管構成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波的交變電壓,取代旋轉變頻機組實現了變頻調速,然而晶閘管屬于半控型器件,可以控制導通,但不能由門極控制關斷,因此由普通晶閘管組成的逆變器用于交流調速必須附加強迫換相電路。

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              70年代以后

              70年代以后,功率晶體管、門極關斷晶閘管、功率MOS場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管、MOS控制晶閘管等已先后問世,這些器件都是既能控制導通又能控制關斷的自關斷器件,又稱全控型器件。它不再需要強迫換相電路,使得逆變器構成簡單、結構緊湊。IGBT由于兼有功率MOS場效應晶體管和功率晶體管的優點,是用于中小功率目前最為流行的器件,MOS控制晶閘管則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和功率MOS場效應晶體管的快速開關特性,是極有發展前景的大功率、高頻功率開關器件。電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發展。

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              80年代以后

              80年代以后出現的功率集成電路,集功率開關器件、驅動電路、保護電路、接口電路于一體,目前已應用于交流調速的智能功率模塊采用IGBT作為功率開關,含有電流傳感器、驅動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護電路,實現了信號處理、故障診斷、自我保護等多種智能功能,既減少了棒模、減輕了重量,又提高了可靠性,使用、維護都更加方便,是功率器件的重要發展方向。

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              變頻調速技術進入了新時代

              隨著新型電力電子器件的不斷涌現,變頻技術獲得飛速發展。以普通晶閘管構成的方波形逆變器被全控型高頻率開關器件組成的脈寬調制逆變器取代后,SPWM逆變器及其專用芯片得到了普遍應用。磁通跟蹤型PWM逆變器以不同的開關模式在電機中產生的實際磁通去逼近定子磁鏈的給定軌跡——理想磁通圓,即用空間電壓矢量方法決定逆變器的開關狀態,形成PWM波形。由于控制簡單、數字化方便,已呈現出取代傳統SPWM的趨勢。電流跟蹤型PWM逆變器為電流控制型的電壓源逆變器,兼有電壓和電流控制型逆變器的優點,滯環電流跟蹤型PWM逆變器更因其電流動態響應快、實現方便,受到重視。

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              目前,隨著器件開關頻率的提高,并借助于控制模式的優化以消除指定諧波,已使PWM逆變器的輸出波形非常逼近正弦波。但在電網側,盡管以不控整流器取代了相控整流器,使基波功率因數(位移因數)接近于1,然而電流諧波分量大,總功率因數仍很低,消除對電網的諧波污染并提高功率因數已構成變頻技術不可回避的問題。為此,PWM整流技術的研究、新型單位功率因數變流器的開發,在國外已引起廣泛關注。PWM逆變器工作頻率的進一步提高將受到開關損耗的限制,特別是大功率逆變器,工作頻率不取決于器件開關速度而受限于開關損耗。近年研究出的諧振型逆變器是一種新型軟開關逆變器,由于應用諧振技術使功率開關在零電壓或零電流下進行開關狀態轉換,開關損耗幾乎為零,使效率提高、體積減小、重量減輕、成本降低,是很有發展前景的變頻器。

              交流電動機控制技術的突破

              在變頻技術日新月異地發展的同時,交流電動機控制技術取得了突破性進展。由于交流電動機是多變量、強耦合的非線性系統,與直流電動機相比,轉矩控制要困難得多。70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動機的轉矩控制問題,應用坐標變換將三相系統等效為兩相系統,再經過按轉子磁場定向的同步旋轉變換實現了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦,從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的。這樣就可以將一臺三相異步電動機等效為直流電動機來控制,因而獲得了與直流調速系統同樣優良的靜、動態性能,開創了交流調速與直流調速相競爭的時代。

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              直接轉矩控制是80年代中期提出的又一轉矩控制方法,其思路是把電機與逆變器看作一個整體,采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉矩計算,通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關狀態直接控制轉矩。因此,無須對定子電流進行解耦,免去了矢量變換的復雜計算,控制結構簡單,便于實現全數字化,目前正受到各國學者的重視。

              多年來,各國學者致力于無速度傳感器控制系統的研究,利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量進行速度估算以取代速度傳感器。其關鍵在于在線獲取速度信息,在保證較高控制精度的同時,滿足實時控制要求。速度估算的方法,除了根據數學模型計算電動機轉速外,目前應用較多的有模型參考自適應法和擴展卡爾曼濾波法。無傳感器控制技術不需要檢測硬件,也免去了傳感器帶來的環境適應性、安裝維護等麻煩,提高了系統可靠性,降低了成本,因而引起了廣泛興趣。

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              微處理機引入控制系統,促進了模擬控制系統向數字控制系統的轉化。數字化技術使得復雜的矢量控制得以實現,大大簡化了硬件,降低了成本,提高了控制精度,而自診斷功能和自調試功能的實現又進一步提高了系統可靠性,節約了大量人力和時間,操作、維修都更加方便。微機運算速度的提高、存儲器的大容量化,將進一步促進數字控制系統取代模擬控制系統,數字化已成為控制技術的方向。

              隨著現代控制理論的發展,交流電動機控制技術的發展方興未艾,非線性解耦控制、人工神經網絡自適應控制、模糊控制等各種新的控制策略正在不斷涌現,展現出更為廣闊的前景,必將進一步推動交流變頻技術的發展。

               
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