淺談交流調(diào)速傳動的現(xiàn)狀和發(fā)展

閆玉光

摘要：交流電動機固有的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，造價低，堅固耐用，事故率低，容易維護；但它的最大缺點在于調(diào)速困難，簡單調(diào)速方案的性能指標不佳，這只能夠依靠交流調(diào)速理論的突破和調(diào)速裝置的完善來解決。本文論述了交流調(diào)速傳動的現(xiàn)狀和發(fā)展

關(guān)鍵詞：交流傳動；半導體；電動機

交流傳動系統(tǒng)之所以發(fā)展得如此迅速，和一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進展有關(guān)。它們是功率半導體器件（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)、交流電動機控制技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)。為了進一步提高交流傳動系統(tǒng)的性能，國內(nèi)外有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個方面展開：

1 采用新型功率半導體器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)

功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應(yīng)管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關(guān)高頻化的PWM技術(shù)成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、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)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優(yōu)點是當電動機處于制動（發(fā)電）狀態(tài)時，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)具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機應(yīng)用場合，在大容量風機、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)采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動系統(tǒng)中占有主導地位。但電壓型變頻器的缺點在于電動機處于制動（發(fā)電）狀態(tài)時，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋給交流電網(wǎng)，要實現(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的特點，代表一個新的技術(shù)發(fā)展動向，但成本問題限制了它的發(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，只能用于低速（低頻）大容量調(diào)速傳動。為此，矩陣式交-交變頻器應(yīng)運而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒中間直流環(huán)節(jié)，省去了笨重而昂貴的儲能元件，為實現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1、輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑。

隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統(tǒng)中應(yīng)用日趨廣泛，PWM技術(shù)的研究越來越深入。PWM利用功率半導體器件的高頻開通和關(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PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關(guān)頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統(tǒng)中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關(guān)頻率會導致大的開關(guān)損耗，而且大功率器件如GTO的開關(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（Selected Harmonic Elimination PWM——SHE PWM）、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動最小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關(guān)頻率相關(guān)的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉(zhuǎn)矩作用在電動機上，會使電動機定子產(chǎn)生振動而發(fā)出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉(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，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上問題，一種方法是提高功率器件的開關(guān)頻率，但這種方法會使得開關(guān)損耗增加；另一種方法就是隨機地改變功率器件的導通位置和開關(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，以達到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機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

交流傳動系統(tǒng)中的交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合、時變的被控對象，VVVF控制是從電動機穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動態(tài)控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態(tài)控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還要控制其相位，以實現(xiàn)交流電動機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦，促使了高性能交流傳動系統(tǒng)逐步走向?qū)嵱没?。目前高動態(tài)性能的矢量控制變頻器已經(jīng)成功地應(yīng)用在軋機主傳動、電力機車牽引系統(tǒng)和數(shù)控機床中。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)的動態(tài)性能，滑模（Sliding mode）變結(jié)構(gòu)控制可增強系統(tǒng)的魯棒性，狀態(tài)觀測器和卡爾曼濾波器可以獲得無法實測的狀態(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)控制等也開始應(yīng)用于交流調(diào)速傳動系統(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。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機、數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor--DSP）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit--ASIC）等。其中，高性能的計算機結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流傳動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達到了較高的性能價格比。

4開發(fā)新型電動機和無機械傳感器技術(shù)

交流傳動系統(tǒng)的發(fā)展對電動機本體也提出了更高的要求。電動機設(shè)計和建模有了新的研究內(nèi)容，如三維渦流場的計算、考慮轉(zhuǎn)子運動及外部變頻供電系統(tǒng)方程的聯(lián)解、電動機阻尼繞組的合理設(shè)計及籠條的故障檢測等。為了更詳細地分析電動機內(nèi)部過程，如繞組短路或轉(zhuǎn)子斷條等問題，多回路理論應(yīng)運而生。隨著20世紀80年代永磁材料特別是釹鐵硼永磁的發(fā)展， 永磁同步電動機（Permanent-MagnetSynchronous Motor--PMSM）的研究逐漸熱門和深入，由于這類電動機無需勵磁電流，運行效率、功率因數(shù)和功率密度都很高，因而在交流傳動系統(tǒng)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。此外，開關(guān)變磁阻理論使開關(guān)磁阻電動機（Switched Reluctance Motor--SRM）迅速發(fā)展，開關(guān)磁阻電動機與反應(yīng)式步進電動機相類似，在加了轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)檢測后可以有效地解決失步問題，可方便地起動、調(diào)速或點控，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)用場合。在高性能的交流調(diào)速傳動系統(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)變壓器等與電動機同軸安裝的機械速度（位置）傳感器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測。但機械式的傳感器有安裝、電纜連接和維護等問題，降低了系統(tǒng)的可靠性。對此，許多學者開展了無速度（位置）傳感器控制技術(shù)的研究，即利用檢測到的電動機出線端電量（如電機電壓、電流），估測出轉(zhuǎn)子的速度、位置，還可以觀測到電動機內(nèi)部的磁通、轉(zhuǎn)矩等，進而構(gòu)成無速度（位置）傳感器高性能交流傳動系統(tǒng)。該技術(shù)無需在電動機轉(zhuǎn)子和機座上安裝機械式的傳感器，具有降低成本和維護費用、不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點，將成為今后交流電氣傳動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。