交流调速系统的现状及发展趋势

交流调速系统的现状及发展趋势

摘要 随着电力电子器件的发展，以及对效率的追求，交流调速得到快速发展，加上新技术、新理论不断渗透到交流调速之中，使其不断呈现新的面貌。

关键词 交流调速；脉宽调制；智能化

引言

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术 的走向，具有十分积极的意义。

1 交流调速系统的发展及现状

长期以来, 直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时, 保持励磁电流恒定, 可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速; 在额定转速以上运行时, 保持电枢电压恒定, 可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此,20世纪80年代以前, 在变速传动领域中, 直流调速一直占据主导地位。交流变频调速[1]的优越性早在20世纪20年代被人们所认识。但受当时电力电子器件的限制而未能广泛应用。

从电力拖动的发展过程来看，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。随着电力电子器件，

单片机的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。

1.1 电力电子器件是交流调速装置的支柱

电力电子器件是现代交流调速装置的支柱, 其发展直接决定和影响交流调速技术的发展。迄今为止, 电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件(第一代) →自关断器件(第二代) →功率集成电路PIC (第三代) →智能模块IPM (第四代) 四个阶段。

20世纪80年代中期以前, 变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。20世纪80年代中期以后用第二代电力电子器件GTR 、GTO 、VDMOS-IGBT 等创造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频器的主流产品, 中、小功率的变频调速装置(1—100kw) 主要是采用IGBT , 中、大功率的变频调速装置(1000 —10000kw) 采用GTO 器件。20 世纪90 年代至今, 电力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为:(1) 高压IGBT 器件, (2) IGCT 由于GTR 、GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷, 功率器件进入第三代以来, GTR 器件已被淘汰不再使用。进入第四代后,GTO 器件也将被逐步淘汰。第四代电力电子器件模块化更为成熟。如智能化模块IPM 、专用功率器件模块ASPM 等。模块化功率器件将是21 世纪主宰器件。

需要指出的是, 以上所述的全控型开关功率器件主要应用于异步电动机变频调速系统中, 其原因众所周知。但是目前同步电动机变频调速系统中仍采用晶闸管。一代电力电子器件带来一代变频调速装置, 性价比一代高过一代。在人类社会进入信息化时代后, 电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是21 世纪最重要的两大技术。

1.2 单片机技术实现交流调速的数字化

随着单片机以及数字信号处理器DSP 为控制核心的微机控制技术的迅速发展，使得交流调速系统的控制回路有模拟控制走向数字控制。当今模拟控制器也已经被淘汰，全数字化的交流调速系统已普遍得到拥应用[2]。数字化使得控制器对信息的处理能力的幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中德复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制等，因采用了微机控制技术后都得到了解决。同时，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。微机控制技术的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，大大降低了调速系统装置的成本和体积。

1.3 脉宽调制(PWM)技术[6]优化了变频装置的性能

脉宽调制(PWM)技术是种类很多, 并且正在不断发展之中。基本上可分为四类, 即等宽PWM 法、正弦PWM 法(SPWM)、磁链追踪型PWM 法及电流跟踪型PWM 法。PWM 技术的应用克服了相控原理的所有弊端, 使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流, 提高了电机的功率因数和输出功率。现代PWM 生成电路大多采用具有高度输出口HSO 的单片机(如80196) 及数字信号处理器DSP (Digital Signal Processor) ,通过软件编程生成PWM 。

近年来, 新型全数字化专用PWM 生成芯

片HEF4752 、SLE4520 、MA818 等达到实用化, 并已实际应用。ＰＷＭ技术是交流调速系统的控制核心，任何控制算法上最终实现几乎都是以各种ＰＷＭ控制方式完成[3]。同时近年来发展的软开关技术克服了硬开关的缺陷，从而很快被应用到各类电力电子的变换器中，加快了交流调速装置的快速发展。

1.4 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现在交流调速系统的

高性能的基础[4]

交流电动机是个多变量、非线性、强

耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。近年来又派生出了诸多控制理论，如多变量解耦控制，变结构滑模控制等。

2 交流调速系统之国内外发展 长期以来，我国的传动技术特别是交流调速技术与国外发达国家存在着较大的差距，但自改革开发以来，这一技术得到了迅速的发展，并以极快的速度赶了上来[5]。

我国在应用变频调速技术上目前虽说尚处于初级阶段, 但其发展速度逐年增长较快, 国家已将该项技术列为“八五”重点攻关和推广项目。这将加快交流调速在我国的普及应用。

目前国内变频调速技术产业状况如下[7]:（1）变频器的控制策略的基础研究与国外差距不大；（2）变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力、但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；（3）变频器产品所用的半导体功率器件的制造业几乎是空白；（4）相关配套产业及行业落后；（5）产销量少，

可靠性及工艺水平不高。

交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量[8]。国外在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用上远远走在我们前面，已有更高级别的高压逆变器产品大量投入市场，并应用于电力机车、船舰电力推进、轧钢、造纸及供水等系统中，交流电机变频调速技术及其产品已成为一些工业发达国家的先导产业[9]。

目前, 国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势, 而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例,1975年在调速领域, 直流占80%,交流占20%;1985年交流占80%,直流占20%。到目前为止, 日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外, 几乎所有的调速系统都采用交流变频装置[10]。发达国家依靠他们强大的科技实力把变频技术推向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展。

3 存在问题及对策

交流调速系统制造成本低、重量轻、惯量小、可靠性和运行效率高等特点，但它并非完美，也存在不足。

3.1 电动机对非正弦波源的适应能力问题及对策

当输入到电动机的交流电不是标准的正弦波时，系统会受到影响。改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：

（1）尽可能的减小定子和转子电阻。减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增。

（2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。

（3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路

饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。

3.2 发热问题及对策[11]

系统中的变频器发热是由于其内部的损耗而产生的，以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热。主要方法有:（1）采用风扇散热：变频器内装风扇可将变频器箱体内部散热带走。（2）环境温度：变频器是电子装置，内含电子元件机电解电容等，所以温度对其寿命影响较大。通用变频器的环境运行温度一般要求—10°C 至50°C 。如果能降低变频器运行温度，就延长了变频器的使用寿命，性能也稳定。

4 发展趋势

随着信息技术、微电子技术等新技术的发展，交流调速也将不断向前发展。实现高频化、数字化和智能化。

4.1 向高频化大容量进军[12]

提高开关频率是抑制谐波、提高系统

性能和缩小电气传动自动化控制设备的体积、重量的关键之一。但开关频率提高, 会增加开关管身的开关损耗, 影响逆变器的效率和工作可靠性, 使调制频率受到限制。目前在高频变换器中采用较多的器件是GTR 、MOSFET 和IGBT 。充分利用新一代高频电力电子器件, 如VDMOS 管、MOSFET 管、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH),以及功率MOS 器件(MCT)提供的可能研究发展新一代高频的电机、电控装置是一个适宜的办法。

4.2 全数字化控制

随着计算机技术的发展，无论是生产还

是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制，这

样最新研发出来的数字芯片不断的被用到调速系统之中。各种总线在实现数字化控制过程中也扮演了相当重要的角色。STD 总线、工业PC 总线、现场总线以及CAN 总线在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用[13]。

4.3 智能化

神经网络控制是20世纪80年代以来，

在人工神经网络研究取得的突破性进展基础上发展起来的自动控制领域的前沿科学之一。它是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的非线性、不确定、不确知系统的控制问题开辟了一条新的途径[14]。近几年来，不依赖电动机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能化控制方法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研究发展方向。

神经网络模拟人脑的信息处理方式, 有并行处理、分布储存信息和容错能力和在线或离线方式进行自学习和自组织的能力, 具有非线性、非局域性、非定常性等特点, 用于控制时可以不依赖控制对象的数学模型, 为了实现对交流电机的快速和精确控制, 采用人工神经网络速度控制器, 并加入在线辨识补偿技术, 既可提高神经网络速度控制器的实时性, 又可增强整个系统的鲁棒性, 还可有效地克服负载转矩变化、转动惯量变化、粘滞摩擦系数变化等带来的不良影响, 从而实现高性能的速度控[15]。

5 结语

交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展。现代控制理论的发展和应用、电力电子技术的发展和应用、微机控制技术及神经网络技术的发展和应用，为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。交流调速系统在人类追求节约能源的道路上将发挥越来越重要的作用。

[1]姜鸿、赵洪怒. 电力拖动交流调速系统[M].北京：华中理工大学出版社，1994，2

[2]李永东. 交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版

社，2002.4

[3]李永东、冬雷. 交流调速技术的发展与应用[J].电工技术杂志,2002年第8期:第1页.

[4]马盟盟、吕振. 直接转矩控制技术发展及前景综述[EB/OL].中国科技论文在线，http://www.paper.edu.cn.

[5]张学亮. 交流调速技术发展与展望[J].芜湖职业技术学院学报,2006年第8卷第3期:29－30页.

[6王兆安、刘进军. 电力电子技术[M].第5版. 北京：机械工业出版社，2009.5

[7]江明、王伟. 变频调速技术的发展概况及趋势[J].安微机电学院学报,2002年第17卷第4期:第75页.

[8]刘玲. 交流变频调速技术的优势与应用[J].电气开关,2010年第1期:第63页.

[9]李永东. 高性能大容量交流电机调速技术的现状及展望[J].电工技术学报,2005年第2期:第2页.

[10]赵朝会、王永田、王新威、邢俊敏. 现代交流调速技术的发展与现状[J].中州大学学报,2004年第21卷第2期:第122页.

[11]侯鹏. 变频调速器运行中存在的问题及对策探讨[J].科技风,2009年第7期.

[12]周炼、谢运祥. 交流调速系统及相应电力电子技术的发展综述[J].微电机,1999年第6期，第26页.

[13]蒋用华、余愚、孙海山. 变频调速技术的行业现状和发展趋势[J].工业仪表与自动化装置,2007年第1期:第14页. [14]姜学军、刘新国、李晓静. 计算机控制技术[M].第2版. 北京：清华大学出版社，2009.7

[15]马宪民. 用神经元网络进行异步电机转速的辨识和估计[J].微电机,2000,3