電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展及展望

蘇勇

（遼寧省阜新市清源污水處理有限公司，遼寧 阜新 123000）

電氣傳動(dòng)關(guān)鍵部件是電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)、控制方式、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是人們在不斷研究和探索的對象。通過幾十年的研究，電動(dòng)機(jī)的控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，隨著信息化、智能化技術(shù)的推進(jìn)，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨著一場技術(shù)的革命。把微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感技術(shù)融入到電氣傳動(dòng)的領(lǐng)域，這三者構(gòu)成“大電子體系”，只有這樣的大電子體系，才能帶動(dòng)、改造傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級換代。這樣的融入把物料流、能源流、信息流三者匯流在一起，形成當(dāng)代的智能化、信息化傳動(dòng)系統(tǒng)。

1 數(shù)字控制和數(shù)據(jù)通信成為電氣傳動(dòng)控制的主要手段

最早的自動(dòng)控制手段是機(jī)械控制，后來逐步讓位于電氣控制和電子控制。近代的電氣傳動(dòng)控制手段中，電子控制占了很大的比例，常用的電子控制方法有兩種：模擬控制和數(shù)字控制。自20世紀(jì)70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電子控制推上了一個(gè)嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器的主要形式。目前，常用的微處理器有：單片機(jī)（SCP）、數(shù)字信號處理器（DSP）、精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）和包含微處理器的高級專用集成電路（ASIC）。

由于計(jì)算機(jī)除一般的計(jì)算功能外，還具有邏輯判斷和數(shù)值運(yùn)算的能力，因此數(shù)字控制和模擬控制相比有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)字控制器能夠?qū)崿F(xiàn)模擬控制無法實(shí)現(xiàn)的各種比較復(fù)雜的控制策略，（2）數(shù)字控制系統(tǒng)能夠完成故障的自診斷，提高診斷過程的智能化。在模擬控制過程中，為了使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，往往采用閉環(huán)控制，使用比例積分調(diào)節(jié)器。當(dāng)系統(tǒng)突然受到干擾作用時(shí)，輸出量發(fā)生變化，通過負(fù)反饋，在比例積分調(diào)節(jié)器的作用下，使得系統(tǒng)的輸出量回到原來的數(shù)值。只要偏差存在，比例、積分兩部分就同時(shí)起作用。在過渡過程中，會(huì)使輸出量出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，若比例作用太強(qiáng)，會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。在采用微機(jī)數(shù)字控制時(shí)，可以將比例、積分作用分離開。當(dāng)偏差大時(shí)，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差。當(dāng)偏差低到一定程度后，再將積分投入，以最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。這樣兩種作用各得其所，避免了相互之間的矛盾，提高了系統(tǒng)的控制性能。

2 電力電子變換器是信息流與物質(zhì)/能量流之間必需的接口

電力電子技術(shù)是信息流與物質(zhì)/能量流之間的重要紐帶，如果沒有電力電子變換，沒有弱電控制強(qiáng)電的接口，則信息始終就是信息，不可能真正用來控制物質(zhì)生產(chǎn)?，F(xiàn)在，電力電子技術(shù)的發(fā)展正處于壯年期，新的電力電子器件和變換技術(shù)仍在不斷涌現(xiàn)出來。電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷過三個(gè)平臺(tái)：晶閘管（SCR）,(2)GTR 和 GTO，（3）IGBT。目前，市場上能夠廣泛供應(yīng)的IGBT其電壓和電流容量有限，一般只夠中、小容量的低壓電氣傳動(dòng)使用。容量再大時(shí)，還得采用GTO，而GTO的可靠性總是不能令人滿意的。于是世界上很多電力電子企業(yè)和研究所都在努力開發(fā)新型的高壓功率開關(guān)器件，已經(jīng)問世的有IGCT，IEGT以及3300-6000V的IGBT等?？晒┲袎?、大容量電氣傳動(dòng)使用。電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展方向是；模塊化和集成化、高頻化、改善封裝、采用新材料（如SiC）等。為電氣傳動(dòng)的信息化、智能化的控制提供了重要基礎(chǔ)和保障。在電力電子變換器中，用于控制直流電機(jī)的主要是由全控器件組成的斬波器或PWM變換器，以及晶閘管相控整流器。用于控制交流電機(jī)的主要是變壓變頻器，其中中、小容量的多為PWM變換器。

隨著電力電子變換器的日益普及，諧波和無功電流給供電網(wǎng)造成的“電力公害”越來越值得重視。解決的方法是（1）采用有源濾波和無功補(bǔ)償，（2）開發(fā)“綠色”電力電子變換器，這種方法要求功率因數(shù)可控，各次諧波分量小于國際和國家標(biāo)準(zhǔn)允許的限度，顯然這是一種治本的最好辦法。目前已經(jīng)應(yīng)用的綠色變換器有：雙PWM交-直-交變換器、多單元串聯(lián)的中壓變換器、多電平中壓變換器等。受到普遍重視還在開發(fā)的有：交-交矩陣式變換器，它具有輸入電流和輸出電壓都接近正弦波、能量傳輸可逆、可省去直流濾波電容等優(yōu)點(diǎn)。

3 可控交流電氣傳動(dòng)逐步取代直流傳動(dòng)

直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)大部分年代里，鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的可控性能，高性能可調(diào)速傳動(dòng)一般都用直流電機(jī)，而約占電氣傳動(dòng)總?cè)萘?0%的不變速傳動(dòng)則采用交流電機(jī)，這種分工在當(dāng)時(shí)已經(jīng)成為舉世公認(rèn)的格局。直到20世紀(jì)70年代，由于采用電力電子交換器的高效交流變頻傳動(dòng)開發(fā)成功，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的交流籠型電機(jī)進(jìn)入了可調(diào)速領(lǐng)域，一直被認(rèn)為天經(jīng)地義的交直流傳動(dòng)按調(diào)速分動(dòng)的格局終于被打破了。此后，交流調(diào)控傳動(dòng)主要沿著下述三個(gè)方向發(fā)展和應(yīng)用：（1）一般性能的節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速，（2）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，（3）特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流傳動(dòng)。

交流調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，交流傳動(dòng)中一般采用交-直-交變頻。變頻調(diào)速就是把50Hz的交流電源變成直流電，再把直流電逆變不同頻率的交流電，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將由變換后的電源頻率來控制的調(diào)速的方法。

國民經(jīng)濟(jì)要可持續(xù)發(fā)展，就必須節(jié)約能量。采用變頻調(diào)速以后，節(jié)約電能的效果是相當(dāng)可觀的，在實(shí)際的電氣傳動(dòng)中，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)大約占40%，而實(shí)際應(yīng)用變頻調(diào)速的只占5%左右。交流變頻調(diào)速還有待進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

采用變頻調(diào)速以后，還帶來一些設(shè)計(jì)觀念上的變化，我們過去長期以來設(shè)計(jì)制造電動(dòng)機(jī)的時(shí)候主要考慮起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，把起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大當(dāng)作一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)。鑒于增加啟動(dòng)電阻就增大了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，異步電動(dòng)機(jī)定子常采用雙籠或深槽結(jié)構(gòu)。在啟動(dòng)的時(shí)候，磁場對轉(zhuǎn)子強(qiáng)切割，產(chǎn)生的集膚效應(yīng)，把轉(zhuǎn)子電流排到外繞組中，外繞組電阻就很大，這樣啟動(dòng)電阻就大，以保證足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這么一來，轉(zhuǎn)子尺寸加大了，不光是轉(zhuǎn)子加大，定子也會(huì)加大，等于是材料要多了，重量增加了。有了變頻調(diào)速后，隨頻率從低到高的變化，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩自然會(huì)變得比較大。這樣一來，在電機(jī)設(shè)計(jì)制造思想上，可以擺脫啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的限制，按照新的或者說按變頻調(diào)速的工況來重新考慮，既可以使電機(jī)效率提高，還可以使電動(dòng)機(jī)小型化，這是我們走變頻專用機(jī)高效的一條重要思路。這和為提高電動(dòng)機(jī)效率而必須使用更多銅、特材料的設(shè)計(jì)思路是不一樣的。

隨著信息化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展。電氣傳動(dòng)技術(shù)將向著網(wǎng)絡(luò)化控制與管理的方向邁進(jìn)。

[1]《電氣傳動(dòng)自動(dòng)化》

[2]《工業(yè)電氣自動(dòng)化》