交流傳動(dòng)現(xiàn)狀范文

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論文關(guān)鍵詞：交流傳動(dòng)；半導(dǎo)體；電動(dòng)機(jī)

論文摘要：交流電動(dòng)機(jī)固有的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，堅(jiān)固耐用，事故率低，容易維護(hù)；但它的最大缺點(diǎn)在于調(diào)速困難，簡(jiǎn)單調(diào)速方案的性能指標(biāo)不佳，這只能夠依靠交流調(diào)速理論的突破和調(diào)速裝置的完善來(lái)解決。本文論述了交流調(diào)速傳動(dòng)的現(xiàn)狀和發(fā)展

交流傳動(dòng)系統(tǒng)之所以發(fā)展得如此迅速，和一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進(jìn)展有關(guān)。它們是功率半導(dǎo)體器件（包括半控型和全控型）的制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)、交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)。為了進(jìn)一步提高交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

1采用新型功率半導(dǎo)體器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)

功率半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實(shí)用化，使得開(kāi)關(guān)高頻化的PWM技術(shù)成為可能。目前功率半導(dǎo)體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將由大電感來(lái)緩沖，它的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)時(shí)，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行能力，可用于頻繁加減速等對(duì)動(dòng)態(tài)性能有要求的單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，在大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將由大電容來(lái)緩沖。對(duì)于負(fù)載電動(dòng)機(jī)而言，電壓型變頻器相當(dāng)于一個(gè)交流電壓源，在不超過(guò)容量限度的情況下，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位。但電壓型變頻器的缺點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)時(shí)，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋給交流電網(wǎng)，要實(shí)現(xiàn)這部分能量的回饋，網(wǎng)側(cè)不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變流器，如采用兩套可控整流器反并聯(lián)、采用PWM控制方式的自換相變流器（“斬控式整流器”或“PWM整流器”）。網(wǎng)側(cè)變流器采用PWM控制的變頻器稱為“雙PWM控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流（網(wǎng)側(cè)電流）波形基本為正弦，功率因數(shù)保持為1并且能量可以雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，代表一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，但成本問(wèn)題限制了它的發(fā)展速度。通常的交-交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率因數(shù)低的缺點(diǎn)，只能用于低速（低頻）大容量調(diào)速傳動(dòng)。為此，矩陣式交-交變頻器應(yīng)運(yùn)而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒(méi)中間直流環(huán)節(jié)，省去了笨重而昂貴的儲(chǔ)能元件，為實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1、輸入電流為正弦和四象限運(yùn)行開(kāi)辟了新的途徑。

隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用日趨廣泛，PWM技術(shù)的研究越來(lái)越深入。PWM利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開(kāi)通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術(shù)可分為三大類：正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開(kāi)關(guān)頻率的提高會(huì)得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛采用。但對(duì)于大容量的電力變換裝置來(lái)說(shuō)，太高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致大的開(kāi)關(guān)損耗，而且大功率器件如GTO的開(kāi)關(guān)頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優(yōu)化PWM技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術(shù)的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的諧波成分，諧波電流引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用在電動(dòng)機(jī)上，會(huì)使電動(dòng)機(jī)定子產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出電磁噪聲，其強(qiáng)度和頻率范圍取決于脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會(huì)使人的聽(tīng)覺(jué)受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動(dòng)機(jī)的機(jī)械共振，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上問(wèn)題，一種方法是提高功率器件的開(kāi)關(guān)頻率，但這種方法會(huì)使得開(kāi)關(guān)損耗增加；另一種方法就是隨機(jī)地改變功率器件的導(dǎo)通位置和開(kāi)關(guān)頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達(dá)到抑制電磁噪聲和機(jī)械共振的目的，這就是隨機(jī)PWM技術(shù)。2應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的交流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變的被控對(duì)象，VVVF控制是從電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動(dòng)態(tài)控制效果很不理想。20世紀(jì)70年代初提出用矢量變換的方法來(lái)研究交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，不但要控制各變量的幅值，同時(shí)還要控制其相位，以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦，促使了高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)逐步走向?qū)嵱没Ｄ壳案邉?dòng)態(tài)性能的矢量控制變頻器已經(jīng)成功地應(yīng)用在軋機(jī)主傳動(dòng)、電力機(jī)車牽引系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床中。此外，為了解決系統(tǒng)復(fù)雜性和控制精度之間的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、電壓定向控制等。尤其隨著微處理器控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論中的各種控制方法也得到應(yīng)用，如二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制和雙位模擬調(diào)節(jié)器控制可提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，滑模（Slidingmode）變結(jié)構(gòu)控制可增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，狀態(tài)觀測(cè)器和卡爾曼濾波器可以獲得無(wú)法實(shí)測(cè)的狀態(tài)信息，自適應(yīng)控制則能全面地提高系統(tǒng)的性能。另外，智能控制技術(shù)如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等也開(kāi)始應(yīng)用于交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，以提高控制的精度和魯棒性。

3廣泛應(yīng)用微電子技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor--DSP）、專用集成電路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit--ASIC）等。其中，高性能的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲(chǔ)存器、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。核心控制算法的實(shí)時(shí)完成、功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)功能都可以通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)，為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價(jià)格比。

4開(kāi)發(fā)新型電動(dòng)機(jī)和無(wú)機(jī)械傳感器技術(shù)

交流傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)電動(dòng)機(jī)本體也提出了更高的要求。電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和建模有了新的研究?jī)?nèi)容，如三維渦流場(chǎng)的計(jì)算、考慮轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)及外部變頻供電系統(tǒng)方程的聯(lián)解、電動(dòng)機(jī)阻尼繞組的合理設(shè)計(jì)及籠條的故障檢測(cè)等。為了更詳細(xì)地分析電動(dòng)機(jī)內(nèi)部過(guò)程，如繞組短路或轉(zhuǎn)子斷條等問(wèn)題，多回路理論應(yīng)運(yùn)而生。隨著20世紀(jì)80年代永磁材料特別是釹鐵硼永磁的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent-MagnetSynchronousMotor--PMSM）的研究逐漸熱門(mén)和深入，由于這類電動(dòng)機(jī)無(wú)需勵(lì)磁電流，運(yùn)行效率、功率因數(shù)和功率密度都很高，因而在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。此外，開(kāi)關(guān)變磁阻理論使開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SwitchedReluctanceMotor--SRM）迅速發(fā)展，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相類似，在加了轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)檢測(cè)后可以有效地解決失步問(wèn)題，可方便地起動(dòng)、調(diào)速或點(diǎn)控，其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性特別適合于要求高靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場(chǎng)合。在高性能的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子速度（位置）閉環(huán)控制往往是必需的。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速（位置）反饋控制，須用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等與電動(dòng)機(jī)同軸安裝的機(jī)械速度（位置）傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測(cè)。但機(jī)械式的傳感器有安裝、電纜連接和維護(hù)等問(wèn)題，降低了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)此，許多學(xué)者開(kāi)展了無(wú)速度（位置）傳感器控制技術(shù)的研究，即利用檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)出線端電量（如電機(jī)電壓、電流），估測(cè)出轉(zhuǎn)子的速度、位置，還可以觀測(cè)到電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁通、轉(zhuǎn)矩等，進(jìn)而構(gòu)成無(wú)速度（位置）傳感器高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)。該技術(shù)無(wú)需在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座上安裝機(jī)械式的傳感器，具有降低成本和維護(hù)費(fèi)用、不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后交流電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。新晨：