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        淺談交流調(diào)速傳動(dòng)的現(xiàn)狀和發(fā)展

        2009-02-19 10:04:30閆玉光
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2009年3期
        關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)

        閆玉光

        摘要:交流電動(dòng)機(jī)固有的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單,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)速裝置的完善來解決。本文論述了交流調(diào)速傳動(dòng)的現(xiàn)狀和發(fā)展

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

        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,國內(nèi)外有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開:

        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,無功功率將由大電感來緩沖,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,無功功率將由大電容來緩沖。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)的研究越來越深入。PWM利用功率半導(dǎo)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(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說,太高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)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(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(dòng)機(jī)的機(jī)械共振,導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上問題,一種方法是提高功率器件的開關(guān)頻率,但這種方法會(huì)使得開關(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研究交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制過程,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(Sliding mode)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(Digital Signal Processor--DSP)、專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit--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開發(fā)新型電動(dòng)機(jī)和無機(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內(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)部過程,如繞組短路或轉(zhuǎn)子斷條等問題,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-MagnetSynchronous Motor--PMSM)的研究逐漸熱門和深入,由于這類電動(dòng)機(jī)無需勵(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,開關(guān)變磁阻理論使開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor--SRM)迅速發(fā)展,開關(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)等問題,降低了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)此,許多學(xué)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(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)成無速度(位置)傳感器高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)。該技術(shù)無需在電動(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)。

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