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交流调速技术推动了交流电机调速的大发展

发布时间:2019-05-23 21:11:00 点击:    

 
 

无锡宏达起重电机2019年5月23日讯  随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在,使直流电动机的维护工作量加大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。


人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机,但异步电动机的调速性能难以满足生产要求,于是,从20世纪30年代开始,人们就致力于交流调速技术的研究,然而进展缓慢。在相当长时期内,直流调速一直以性能优良领先于交流调速。


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调速技术的发展历程
1
60年代以后

60年代以后,特别是70年代以来,电力电子技术和控制技术的飞速发展,使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争,目前,交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。50年代末出现了晶闸管,由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压,取代旋转变频机组实现了变频调速,然而晶闸管属于半控型器件,可以控制导通,但不能由门极控制关断,因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。

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2
70年代以后

70年代以后,功率晶体管、门极关断晶闸管、功率MOS场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、MOS控制晶闸管等已先后问世,这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件,又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路,使得逆变器构成简单、结构紧凑。IGBT由于兼有功率MOS场效应晶体管和功率晶体管的优点,是用于中小功率目前最为流行的器件,MOS控制晶闸管则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和功率MOS场效应晶体管的快速开关特性,是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。

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3
80年代以后

80年代以后出现的功率集成电路,集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体,目前已应用于交流调速的智能功率模块采用IGBT作为功率开关,含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路,实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能,既减少了棒模、减轻了重量,又提高了可靠性,使用、维护都更加方便,是功率器件的重要发展方向。

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变频调速技术进入了新时代

随着新型电力电子器件的不断涌现,变频技术获得飞速发展。以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制逆变器取代后,SPWM逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。磁通跟踪型PWM逆变器以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹——理想磁通圆,即用空间电压矢量方法决定逆变器的开关状态,形成PWM波形。由于控制简单、数字化方便,已呈现出取代传统SPWM的趋势。电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器,兼有电压和电流控制型逆变器的优点,滞环电流跟踪型PWM逆变器更因其电流动态响应快、实现方便,受到重视。

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目前,随着器件开关频率的提高,并借助于控制模式的优化以消除指定谐波,已使PWM逆变器的输出波形非常逼近正弦波。但在电网侧,尽管以不控整流器取代了相控整流器,使基波功率因数(位移因数)接近于1,然而电流谐波分量大,总功率因数仍很低,消除对电网的谐波污染并提高功率因数已构成变频技术不可回避的问题。为此,PWM整流技术的研究、新型单位功率因数变流器的开发,在国外已引起广泛关注。PWM逆变器工作频率的进一步提高将受到开关损耗的限制,特别是大功率逆变器,工作频率不取决于器件开关速度而受限于开关损耗。近年研究出的谐振型逆变器是一种新型软开关逆变器,由于应用谐振技术使功率开关在零电压或零电流下进行开关状态转换,开关损耗几乎为零,使效率提高、体积减小、重量减轻、成本降低,是很有发展前景的变频器。

交流电动机控制技术的突破

在变频技术日新月异地发展的同时,交流电动机控制技术取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统,与直流电动机相比,转矩控制要困难得多。70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题,应用坐标变换将三相系统等效为两相系统,再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦,从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制,因而获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能,开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。

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直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法,其思路是把电机与逆变器看作一个整体,采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算,通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此,无须对定子电流进行解耦,免去了矢量变换的复杂计算,控制结构简单,便于实现全数字化,目前正受到各国学者的重视。

多年来,各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究,利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息,在保证较高控制精度的同时,满足实时控制要求。速度估算的方法,除了根据数学模型计算电动机转速外,目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无传感器控制技术不需要检测硬件,也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦,提高了系统可靠性,降低了成本,因而引起了广泛兴趣。

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微处理机引入控制系统,促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现,大大简化了硬件,降低了成本,提高了控制精度,而自诊断功能和自调试功能的实现又进一步提高了系统可靠性,节约了大量人力和时间,操作、维修都更加方便。微机运算速度的提高、存储器的大容量化,将进一步促进数字控制系统取代模拟控制系统,数字化已成为控制技术的方向。

随着现代控制理论的发展,交流电动机控制技术的发展方兴未艾,非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现,展现出更为广阔的前景,必将进一步推动交流变频技术的发展。

 
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