現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1、現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用 摘 要 ：隨著電力電子器件的開展，以及對(duì)效率的追求，交流調(diào)速得到快速開展，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。十九世紀(jì)交流調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，與直流調(diào)速技術(shù)相媲美，但由于直流調(diào)速技術(shù)的性能要比交流調(diào)速技術(shù)的性能要好得多，所以交流調(diào)速技術(shù)無(wú)法取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)的開展，推動(dòng)了現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用與開展，目前，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)已有超越直流調(diào)速技術(shù)的開展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞 交流調(diào)速技術(shù) 直流調(diào)速技術(shù) 應(yīng)用和開展 交流調(diào)速 脈寬調(diào)制Application and Development o

2、f Modern AC Variable Speed Technology DENG Xiaoxiang， LIU Yuanyi， MENG Jiaoru Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang 150027 Abstract AC variable speed occurs in the nineteenth century， comparable to DC conversion technology， but because of technical performance DC sp

3、eed than AC variable speed performance is much better， so the technology can not replace the traditional AC variable speed DC drive technical position in the field of electric drive. With the continuous development of science and technology， promoting the development of AC variable speed technology，

4、 to promote the application and development of modern AC variable speed technology， at present， has been beyond the modern AC variable speed DC converter technology trends. 文檔收集自網(wǎng)絡(luò)，僅用于個(gè)人學(xué)習(xí)Key words AC variable speed technology； DC converter technology； application and development 引言  近年來(lái)，隨著電力電子

5、技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速開展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前開展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為開展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)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(dòng)技術(shù)進(jìn)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(dòng)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(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有開展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義。 1 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用 1.1 變級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用 所謂變級(jí)調(diào)速就是有效調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使其運(yùn)行速度一致

6、，這是最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)方法。采用交流調(diào)技術(shù)就是通過(guò)利用電動(dòng)機(jī)的改接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)從一個(gè)級(jí)數(shù)到另一個(gè)級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)了不同步電動(dòng)機(jī)的有級(jí)調(diào)速。變級(jí)調(diào)速系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格低，工作輕松且具有可靠性，但僅限于有級(jí)調(diào)速，其速度一般可分為兩種速度，在現(xiàn)實(shí)中三種速度以上的變級(jí)電機(jī)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣等原因，在現(xiàn)實(shí)中很少應(yīng)用。電機(jī)繞組設(shè)計(jì)是采用變級(jí)調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵，因此，最正確的電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)就是采用最少的繞組線圈改接與引出頭。 1.2 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)也稱為繞線轉(zhuǎn)子不同步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，其原理是將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率加以利用的一種節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的調(diào)速方法。在轉(zhuǎn)子回路中串入阻值大小

7、不相同電阻，從而得到電動(dòng)機(jī)不同斜率的機(jī)械性能，有效實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)功能，這是傳統(tǒng)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的方法，同時(shí)也是一種簡(jiǎn)短的操作方法，缺點(diǎn)是調(diào)速是有級(jí)的、不平滑，并且由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率大多都消耗在電阻發(fā)熱上面，降低了轉(zhuǎn)差效率。隨著大功率的電子器件產(chǎn)品的誕生，傳統(tǒng)采用在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榫чl管功率變換器，有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的作用，同時(shí)也構(gòu)成了晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，是由繞線不同步電動(dòng)機(jī)與串聯(lián)晶閘管變換器兩者組成。這種方法的采用，不僅增加了轉(zhuǎn)子回路中的電勢(shì)，同時(shí)也改變了轉(zhuǎn)子回路中的轉(zhuǎn)差功率值，因此，也改變了不同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。 1.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是各種不同步電

8、動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，具有高效率、高性能的最好的調(diào)速系統(tǒng)。變奪變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理是，同時(shí)對(duì)定子電源電壓與電源頻率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，在這種情況下，機(jī)械特性大體上處于上平行移動(dòng)狀態(tài)，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率保持不變。變頻調(diào)速系統(tǒng)是現(xiàn)代交流調(diào)速的主要開展趨勢(shì)。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高效率性、高性能、高精度性以及寬調(diào)速范圍等優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代最具有開展前景的調(diào)速方式?，F(xiàn)代交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)分為很多種，例如最早的電壓源型變頻器、電流源型變頻器、脈寬調(diào)制型變頻器等。 1.4 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用 不同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與輸入電壓基波的平方成正比的關(guān)系，因此有效改變電動(dòng)機(jī)電機(jī)的電壓，可以有效改變不同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性等，有效實(shí)現(xiàn)了

9、不同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速功能。不同步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速是一種操作比擬簡(jiǎn)單的調(diào)速方法。在二十世紀(jì)五十年代以前，工業(yè)電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法是采用串飽和電抗器的方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，現(xiàn)代大多采用雙向晶閘管調(diào)壓的方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)壓調(diào)速功能。采用雙向晶閘管調(diào)壓的方式主要有兩種：一種是整周波斬波控制方法調(diào)壓，而另一種是相控技術(shù)。但采用整周波斬波控制方法的缺點(diǎn)是調(diào)速不平滑，因此，在實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)工業(yè)都采用相控技術(shù)。2 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的開展 現(xiàn)代交流調(diào)速的法陣可分為幾個(gè)階段20世紀(jì)60年代中期,德國(guó)的A chonung 等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想,他們把通

10、信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于變頻調(diào)速中,為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的開展和實(shí)用化開辟了新的道路。從此,交流調(diào)速理論及應(yīng)用技術(shù)大致沿下述四個(gè)方面開展。 2.1電力電子器件的蓬勃開展電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的支柱,其開展直接決定和影響交流調(diào)速技術(shù)的開展。迄今為止,電力電子器件的開展經(jīng)歷了分立換流關(guān)斷器件(第一代) 自關(guān)斷器件(第二代) 功率集成電路PIC (第三代) 智能模塊IPM (第四代) 四個(gè)階段。20世紀(jì)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、本錢、體積均無(wú)法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。2

11、0 世紀(jì)80 年代中期以后用第二代電力電子器件GTR ( Giant Transistor)、GTO (Gate Turn Off thyistor)、VDMOS-IGBT(Insulated GateBipolar Transis2 tor) 等創(chuàng)造的變頻裝置在性能與價(jià)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、模塊化方向繼展,第三代電力電子器件是20 世紀(jì)90 年代制造變頻器的主流產(chǎn)品,中、小功率的變頻調(diào)速裝置(110

12、0kw)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(jì)90年代至今,電力電子器件的開展進(jìn)入了第四代。主要實(shí)用的第四代器件為:(1)高壓IGBT器件,(2)IGCT(Insulated Gate Controlled。由于GTR、GTO器件本身存在的不可克服的缺陷,功率器件進(jìn)入第三代以來(lái),GTR器件已被淘汰不再使用。進(jìn)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(jì)主宰器件。需要指出的是,以上所述的全控型開關(guān)

13、功率器件主要應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中,其原因眾所周知。但是目前同步電動(dòng)機(jī)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(lái)一代變頻調(diào)速裝置,性價(jià)比一代高過(guò)一代。在人類社會(huì)進(jìn)入信息化時(shí)代后,電力電子技術(shù)連同電力傳動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)一起仍是21 世紀(jì)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(shí)電 機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),提高了電機(jī)的工作效率,擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。資料個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途2.2脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)種類很多,并且正在不斷開展之中。根本上可分為四類,即PWM法、正弦PWM法(SPWM)、磁鏈追

14、蹤型PWM法及電流跟蹤型PWM法。PWM技術(shù)的應(yīng)用克了相控原理的所有弊端,使交流電動(dòng)機(jī)定子得到了接近正弦波形的電壓和電流,提高了電機(jī)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(jī)(如80196) 及數(shù)字信號(hào)處理器DSP (Digital Signal Processor) ,通過(guò)軟件編程生成PWM 。近年來(lái),新型全數(shù)字化專用PWM 生成芯片HEF4752 、SLE4520 、MA818 等達(dá)實(shí)用化,并已實(shí)際應(yīng)用。2.3矢量變換控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)

15、矩控制技術(shù) 眾所周知,直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性,其根本原因在于作為控象的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進(jìn)行控制。而交流電動(dòng)機(jī)是個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)藕合的被控對(duì)象,作為變頻系統(tǒng)的控制對(duì)象它是否可以模仿直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制呢。1975 年,德國(guó)學(xué)者F Blaschke 提出了矢量變換控制原理,成功地解決了交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制,在定向于轉(zhuǎn)子磁通的根底上,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(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕,實(shí)現(xiàn)了將交流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程等效為直流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程,在理

16、論上實(shí)現(xiàn)了重大突破,從而使得交流調(diào)速的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能完全可能同直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美。矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標(biāo)軸與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的坐標(biāo)接轉(zhuǎn)矩控制也是一種很有前途的控制技術(shù)。目前,采用IG2 BT 、IGCT 的直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻調(diào)速裝置已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸部門中。文檔來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)搜索2.4微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 隨著微機(jī)控制技術(shù),特別是以單片微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器SP為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)迅速開展,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(dāng)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(yīng)用。數(shù)字化使得控制器對(duì)信息處理能力大幅度

17、提高,許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制,如矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換運(yùn)算、解藕控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制等,采用微機(jī)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(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。此外,微機(jī)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(shí)現(xiàn)。 微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)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)速裝置的本錢和體積。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)的微處理器的開展經(jīng)歷了單片機(jī)(MCS) 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(Reduc

18、ed Instruction Set ComputerRISC) 三個(gè)階段。 文檔來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)搜索3 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(dòng)機(jī)，電力電子功率交換器，控制器和檢測(cè)器等四大局部組成。電力電子功率變換器，控制器，電量檢測(cè)器集中于一體，稱為變頻器變頻調(diào)速裝置。交流電機(jī)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。目前較為常用的三種方案，他們是異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)：（1） 異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)。（2） 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)3同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

19、。4 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的開展研究 4.1 新型電力電子器件的研制 限制現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)中電力電子技術(shù)應(yīng)用的因素主要有以下四個(gè)方面：1是指基于電力電子技術(shù)的控制手段與控制策略的因素；2是指電動(dòng)機(jī)變換器的結(jié)構(gòu)限制因素；3是指電子電子器件的性能限制因素；4是指電力電子器件的價(jià)格因素。伴隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的開展，電力電子器件由原來(lái)的不可控制到現(xiàn)代的可控制技術(shù)，由原來(lái)的低電壓等級(jí)到現(xiàn)在的高電壓等級(jí)，同時(shí)也促進(jìn)了各種新型電動(dòng)機(jī)變換器的誕生，形成了各種新的控制理論在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用與開展?？茖W(xué)技術(shù)的開展，推動(dòng)了交流調(diào)速技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)電力電子器件提出了更高的要求，有效促進(jìn)了先進(jìn)的、新型的電力電子器件的誕生，以滿足現(xiàn)代應(yīng)用系統(tǒng)的高效性、智能性、集成性、統(tǒng)一性、數(shù)字性以及高頻性等一系列的開展要求。與此同時(shí)，電力電子器件應(yīng)用所產(chǎn)生的諧波，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)電機(jī)產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)矩脈沖，不僅增加了電動(dòng)機(jī)的附加損耗量，也形成了噪音污染，而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，大大影響了電動(dòng)機(jī)電機(jī)的調(diào)速范圍與穩(wěn)定性，因此電力電子器件應(yīng)用所帶來(lái)的污染問(wèn)題，也是目前研究的重點(diǎn)課題。 文檔來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)搜索4.2 數(shù)字化控制系統(tǒng) 為了有效使現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)與現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及智能技術(shù)有效結(jié)合，同時(shí)還可以有效提高現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的性能，因此，必須使現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。在過(guò)去的交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中，