交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀摘要:隨著電力電子器件的發(fā)展，以及對效率的追求，交流調(diào)速得到快速發(fā)展，加上新技術(shù)、新理論不斷滲透到交流調(diào)速之中，使其不斷呈現(xiàn)新的面貌。關(guān)鍵詞：交流調(diào)速；脈寬調(diào)制；引言近年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而

2、被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義。1硼代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代交流調(diào)速的法陣可分為幾個階段 20 世紀 60 年代中期，德國的 ASchonung 等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應用于變頻調(diào)速中，為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和實用化開辟了新的道路。從此，交流調(diào)速理論及應用技術(shù)大致沿下述四個方面發(fā)展。（1）電力電子器件的蓬勃發(fā)展電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的支柱，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。迄今為止，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了分立換流關(guān)斷器件（第一代）一自關(guān)斷器件（第二代）-功率集成電路 PIC（

3、第三代）一智能模塊 IPM（第四代）四個階段。20 世紀 80 年代中期以前，變頻裝置功率回路主要采用晶閘管元件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。20 世紀 80 年代中期以后用第二代電力電子器件 GTR（GiantTransistor）、GTqGateTurnOffthyistor)、VDMOS-IGBT(InsulatedGateBipolarTransis2tor)等創(chuàng)造的變頻裝置在性能與價格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向繼續(xù)發(fā)展，第三代電力電子器件是 20 世紀 90 年代制造變頻器的主流產(chǎn)品，中、小功率的

4、變頻調(diào)速裝置(1100kw)主要是采用 IGBT,中、大功率的變頻調(diào)速裝置(100010000kw)采用 GTO 器件。20 世紀 90 年代至今，電力電子器件的發(fā)展進入了第四代。主要實用的第四代器件為:(1)高壓IGBT 器件，IGCT(InsulatedGateControlled。由于 GTR、GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件進入第三代以來，GTR 器件已被淘汰不再使用。進入第四代后,GTO 器件也將被逐步淘汰。第四代電力電子器件模塊化更為成熟。如智能化模塊 IPM、專用功率器件模塊 ASPM 等。模塊化功率器件將是 21 世紀主宰器件。需要指出的是，以上所述的全控型開關(guān)功

5、率器件主要應用于異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，其原因眾所周知。但是目前同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中仍采用晶閘管，其原因也是眾所周知的。一代電力電子器件帶來一代變頻調(diào)速裝置，性價比一代高過一代。在人類社會進入信息化時代后，電力電子技術(shù)連同電力傳動控制與計算機技術(shù)一起仍是 21 世紀最重要的兩大技術(shù)。電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高了電機的工作效率，擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。(2)脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)種類很多，并且正在不斷發(fā)展之中。基本上可分為四類，即等寬 PWM法正弦 PWM 法(SPWM)、 磁鏈追蹤型 PWM 法及電流跟蹤型 PWM 法。

6、 PWM 技術(shù)的應用克服了相控原理的所有弊端，使交流電動機定子得到了接近正弦波形的電壓和電流，提高了電機的功率因數(shù)和輸出功率?，F(xiàn)代 PWM 生成電路大多采 用 具 有 高 度 輸 出 口 HSO 的 單 片 機 ( 如 80196) 及 數(shù) 字 信 號 處 理 器DSP(DigitalSignalProcessor),通過軟件編程生成 PWM 近年來，新型全數(shù)字化專用 PWMA成芯片 HEF4752、SLE4520、MA818 等達到實用化，并已實際應用。(3)矢量變換控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)眾所周知，直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電

7、動機電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進行控制。而交流電動機是個多變量、非線性、強藕合的被控對象，作為變頻系統(tǒng)的控制對象一它是否可以模仿直流電動機轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制呢。1975 年，德國學者 FBlaschke 提出了矢量變換控制原理，成功地解決了交流電動機電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，在定向于轉(zhuǎn)子磁通的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實現(xiàn)了交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕，實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，在理論上實現(xiàn)了重大突破，從而使得交流調(diào)速的動態(tài)和靜態(tài)性能完全可能同直流傳動系統(tǒng)相媲美。矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標軸與旋轉(zhuǎn)坐標軸系之間的坐標接轉(zhuǎn)矩控制也是

8、一種很有前途的控制技術(shù)。目前，采用 IG2BT、IGCT 的直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻調(diào)速裝置已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)及交通運輸部門中。(4)微型計算機控制技術(shù)隨著微機控制技術(shù)，特別是以單片微機及數(shù)字信號處理器 DSP 為控制核心的微機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制迅速走向數(shù)字控制。當今模擬控制器已被淘汰，全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已普遍得到應用。數(shù)字化使得控制器對信息處理能力大幅度提高，許多難以實現(xiàn)的復雜控制，如矢量控制中的復雜坐標變換運算、解藕控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識的自適應控制等，采用微機控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統(tǒng)如果沒有微機的支持是不可能真正實現(xiàn)的。此

9、外，微機控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能，特別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實現(xiàn)。微機控制技術(shù)的應用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作、設(shè)置的多樣性和靈活性，降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。用于交流調(diào)速系統(tǒng)的微處理器的發(fā)展經(jīng)歷了單片機(MCS)一數(shù)字信號處理器(DSP)一精簡指令集計算機(ReducedInstructionSetComputerRISC)三個階段。2現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的類型現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動機，電力電子功率交換器，控制器和檢測器等四大部分組成。電力電子功率變換器，控制器，電量檢測器集中于一體，稱為變頻器

10、(變頻調(diào)速裝置)。交流電機的不同，繁衍出不同的交流調(diào)速系統(tǒng)。因此現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)可分為異步電動機調(diào)速系統(tǒng)和同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。目前較為常用的三種方案，他們是異步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)：(1)異步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)。(2)開關(guān)磁阻電動機的交流調(diào)速系統(tǒng)(3)同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。3交流調(diào)速系統(tǒng)之國內(nèi)外發(fā)展長期以來，我國的傳動技術(shù)特別是交流調(diào)速技術(shù)與國外發(fā)達國家存在著較大的差距，但自改革開發(fā)以來，這一技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并以極快的速度趕了上來。我國在應用變頻調(diào)速技術(shù)上目前雖說尚處于初級階段，但其發(fā)展速度逐年增長較快，國家已將該項技術(shù)列為“八五”重點攻關(guān)和推廣項目。這將加快交流調(diào)速在我國的普及應用。目前國

11、內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況如下：(1)變頻器的控制策略的基礎(chǔ)研究與國外差距不大；(2)變頻器的整體技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力、但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模；(3)變頻器產(chǎn)品所用的半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白；(4)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后；(5)產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應用。美國有 60%-65%的發(fā)電量用于電機驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了 15%-20%的電量。國外在高性能大容量交流電機傳動技術(shù)的研究和應用上遠遠走在我們前面，已有更高級別的高壓逆變器產(chǎn)品大量投入市場，并應用于電力

12、機車、船艦電力推進、軋鋼、造紙及供水等系統(tǒng)中，交流電機變頻調(diào)速技術(shù)及其產(chǎn)品已成為一些工業(yè)發(fā)達國家的先導產(chǎn)業(yè)。目前，國外先進的工業(yè)國家生產(chǎn)直流傳動的裝置基本呈下降趨勢，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。以日本為例，1975 年在調(diào)速領(lǐng)域，直流占 80%,交流占 20%;1985 年交流占 80%,直流占 20%到目前為止， 日本除了個別的地方還繼續(xù)采用直流電機驅(qū)動外，幾乎所有的調(diào)速系統(tǒng)都采用交流變頻裝置。發(fā)達國家依靠他們強大的科技實力把變頻技術(shù)推向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展。4結(jié)語交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會發(fā)展的需要推動了交流調(diào)速的飛速發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應用、電力電子技術(shù)的發(fā)展和應用、微機控制技術(shù)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應用，為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條