交流调速传动的发展和现状

在20 世纪的大部分年代里，鉴于直流传动系统具有优越的调速性能，高性能的可调速传动都采用直流电动机。然而，直流电动机结构上存在机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点，如维修工作量大，事故率高，容量受换向条件的制约，使用环境受限（特别在易燃、易爆、粉尘等场合难以应用）。到70 年代初叶，席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流传动系统。交流电动机固有的优点是：结构简单，造价低，坚固耐用，事故率低，容易维护；但它的最大缺点在于调速困难，简单调速方案的性能指标不佳，这只能够依靠交流调速理论的突破和调速装置的完善来解决。经过大约30 年的发展，目前交流传动已经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。在不久的将来，交流电气传动将会完全取代直流电气传动。 交流传动系统之所以发展得如此迅速，和一些关键性技术的突破性进展有关。它们是功率半导体器件（包括半控型和全控型）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术。为了进一步提高交流传动系统的性能，国内外有关研究工作正围绕以下几个方面展开： 1.采用新型功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术 功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BJT（双极型晶体管）、MOSFET（金属氧化硅场效应管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频化的PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器、电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。电流型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动（发电）状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交-直-交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM 变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动（发电）状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变流器，如采用两套可控整流器反并联、采用PWM 控制方式的自换相变流器（“斩控式整流器”或 “PWM 整流器”）。网侧变流器采用PWM 控制的变频器称为“双PWM 控制变频器”，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数保持为1 并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交-交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速（低频）大容量调速传动。为此，矩阵式交-交变频器应运而生。矩阵式交-交变频器功率密度大，而且没有中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，它为实现输入功率因数为1、输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径. 随着电压型PWM 变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技术的研究越来越深入。PWM 利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM 技术可分为三大类：正弦PWM、优化PWM 及随机PWM。正弦PWM 包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM 方案。正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO 的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM 技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法（SelectedHarmonic Elimination PWM——SHE PWM）、效率最优PWM 和转矩脉动最小PWM 都属于优化PWM 技术的范畴。普通PWM 变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM 技术。 2. 应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论 交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象，VVVF 控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20 世纪70 年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现交流电动机磁通和转矩的解耦，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用化。目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。尤其随着微处理器控制技术的发展，现代控制理论中的各种控制方法也得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制可提高系统的动态性能，滑模（Sliding mode）变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息，自适应控制则能全面地提高系统的性能。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度和鲁棒性。 3. 广泛应用微电子技术 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor——DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。 4. 开发新型电动机和无机械传感器技术 交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。电动机设计和建模有了新的研究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方程的联解、电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等。为了更详细地分析电动机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。随着20 世纪80 年代永磁材料特别是钕铁硼永磁的发展， 永磁同步电动机（Permanent-Magnet Synchronous Motor——PMSM）的研究逐渐热门和深入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效率、功率因数和功率密度都很高，因而在交流传动系统中获得了日益广泛的应用。此外，开关变磁阻理论使开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor——SRM）迅速发展，开关磁阻电动机与反应式步进电动机相类似，在加了转子位置闭环检测后可以有效地解决失步问题，可方便地起动、调速或点控，其优良的转矩特性特别适合于要求高静态转矩的应用场合。在高性能的交流调速传动系统中，转子速度（位置）闭环控制往往是必需的。为了实现转速（位置）反馈控制，须用光电编码器或旋转变压器等与电动机同轴安装的机械速度（位置）传感器来实现转子速度和位置的检测。但机械式的传感器有安装、电缆连接和维护等问题，降低了系统的可靠性。对此，许多学者开展了无速度（位置）传感器控制技术的研究，即利用检测到的电动机出线端电量（如电机电压、电流），估测出转子的速度、位置，还可以观测到电动机内部的磁通、转矩等，进而构成无速度（位置）传感器高性能交流传动系统。该技术无需在电动机转子和机座上安装机械式的传感器，具有降低成本和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流电气传动技术发展的必然趋势。