| 单词 | 交流电机控制系统 |
| 释义 | 【交流电机控制系统】 1957年美国通用电气公司首次发表关于晶闸管(SCR)的信息以来，电气传动技术逐步进入了电力电子发展时期。70年代，电力电子器件主要为SCR。进入80年代，随着自关断器件的出现，开始了一个以自关断器件为核心的新时代。电力电子元器件的发展趋势为：自关断化，即在功能上，既能控制导通，又能控制其关断，如GTO、GTR、IGBT等器件；高频化，提高开关速度；集成化、智能化，在功能上包含有逻辑、控制、功率、保护及传感测量等电路的功能。 自关断电力电子器件的出现，使变流技术无论从原理到应用范围都出现了一场变革。例如：以自换流取代外部换流，取消了换流电路，使变流装置的结构变得简单，缩小了体积，减轻了重量(用GTO取代SCR后，变流装置的体积缩小了24%，重量减轻了34%)；脉宽调制(PWM)技术普遍应用，首先用在电压型交直交变频器上，可同时完成调压、调频双重任务，使主电路变得简单，并能提高功率因数，改善了电动机的低速特性。PWM技术用到变流技术的其他领域，也取得了令人满意的效果(用于电流型变频器时，可以实现电气传动四象限快速响应运行)。20世纪80年代，电气传动领域最大的变革是交流调速技术突飞猛进的发展。交流传动取代直流传动的趋势已为大多数人所接受。交流调速取代直流调速是发展的趋势。日本杂志推断1975年交、直流调速比例为2∶8，1985年达到8∶2(实际上交流调速没有达到此水平)。预计到20世纪末，交、直流调速各占50%是比较客观的。交流调速在工业应用中，大体上有3大领域：(1)凡是能用直流调速的场合，都能改用交流调速。(2)直流调速所达不到的，如大容量、高电压以及环境十分恶劣的场所，都能使用交流调速。(3)原来不调速的风机、泵类负载，采用交流调速后，可以大幅度节能。目前，日本、德国各大电气公司，交流调速产品中的60%～70%应用于风机、泵类负载。80年代中后期，矢量控制技术的实用化，使交流调速产品的性能达到并超过直流调速，步入高性能传动领域，如用于数控机床、机器人及轧钢机等。数控机床的交流调速传动，主轴一般采用异步电动机，伺服采用同步电动机，调速范围大，调速精度高。国外许多大公司，如西门子、AB、法拿光等都有系列产品。目前，中国处于产品研制与开发阶段，并已引进国外的制造技术，生产小批量产品。由于自关断器件技术水平提高很快，因而使PWM技术日趋成熟。电压型PWM变频器以其高效率、高功率因数、结构简单、可成组传动等优点得到普遍应用。例如，中、小容量3．7～100kW变频器可用于风机、水泵、造纸机、交流电梯、卷烟厂、化工厂等。对轧钢机辅助传动往往要求调速系统具有快速响应和可逆运转，因电压型变频器不能回馈制动运行，所以采用晶闸管电流型变频器。但近年来，日本各大公司纷纷推出公共直流电压供电型PWM矢量控制系统，它不仅具有电压型变频器的优点，而且还可以方便地实现制动能量回馈，实现了快速可逆运转。日本三菱、安川、明电舍等已将该技术成功地用于轧机和连铸工艺线，实现全交流化调速传动。从技术水平来看，目前中国多数都采用单片机实现PWM控制，装置容量作到75kW。交流调速技术的进一步发展将是：高性能化，产品将普遍采用矢量控制技术，提高调速性能，达到和超过直流调速水平；随着电力电子器件的发展，变频器将由SCR向GTO、GTR向IGBT过渡，实现高频化(IGBT开关频率高，可减少损耗，改善电压波形，减小噪声)；控制系统数字化。电气传动控制系统分为系统硬件与控制理论两部分。控制系统硬件由模拟技术转向数字技术。由于计算机技术的发展，电气传动控制系统开始从传统的模拟技术转向计算机控制的数字技术。数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性，还为新控制理论与方法提供了物质基础。因此，80年代中期，世界各大电气公司的电气传动产品都开始从模拟到数字调速的换代。80年代中期，日本的东芝、富士、日立、三菱等公司都推出了数字交流调速装置，基本上采用8086CPU芯片，软件采用汇编语言，或者专用的编辑语言。欧洲推出的交流数字调速装置稍晚些，但技术水平比较高，采用8096单片机或者采用32位计算机，多为CPU控制系统。软件则采用菜单编程或图形编辑语言。从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：(1)采用专用的硬件，大规模集成电路(IC)。(2)采用通用计算机硬件、软件模块化、可编程化。研制交流调速系统专用的IC芯片，使控制系统硬件小型化、简单化。日本推出变频器都沿着采用专用IC芯片方向发展。富士电机将推出变频器采用专用的数字信号处理器(DSP)芯控制系统。各种交流控制系统的发展都会对电机提出了新的要求，例如电机的结构型式以及方波电机、正弦波电机、阻尼绕组的设计和电机的参数适应系统的要求等。总之，应设计配套使用的专用电机，甚至包括电压等级的确定。开发新型电机，如开关磁阻片，并用金属化表面技术(MST)使变频器体积更小，可靠性更高。80年代末期，由德国西门子公司推出的Simadyn D与AEG公司推出的Logidyn D数字调速系统，采用了32位计算机，硬件标准化、通用化，可以用于直流调速系统，也可以用于交流调速系统。软件中包含数百个模块子程序，在应用中采用图形编辑语言。根据不同的传动系统结构，把系统所需要的模块调出，并组接起来，就可构成一个专用的传动系统(实际上是一种实时控制系统的可编程序控制器)。这一系统已在大型直流调速系统和交交变频同步电动机调速系统中采用。专用硬件可以降低设备的投资，提高装置的可靠性，但应用范围受到限制。通用硬件可编程控制，应用范围广，但造价高。从国际上采用数字调速的情况来看，前者一般多用于中小容量的标准系列产品，后者多用于大型工程大容量的传动系统。此外，新型的电力电子器件和PWM技术，已采用的有MOSFET和IGBT器件构成的变频器，开关频率可达15～20kHz。实现了供电波形正弦、低损耗，无噪声的功能。交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的被控对象，仅用压频(V／f)恒定控制不能满足对调速系统的高要求。1971年F．Blaschke提出了交流电机矢量控制原理后，交流调速得到飞速的发展。交流电机矢量控制原理是运用现代电机坐标变换的理论，把交流电机等效为直流电机来进行控制的。矢量控制技术使交流调速在性能上达到直流调速的水平，开创了交流传动控制理论的新纪元。虽然交流电机矢量控制技术已实用化，但矢量控制理论与应用并不十分完善。矢量控制是沿袭直流调速的理论而产生的，它存在着电机模型非解耦性及参数依赖性等问题，系统也过于复杂，目前各国学者都致力于新控制理论与系统的研究。例如，德国学者提出的直接转矩控制，日本学者提出的磁场加速控制，以及基于现代控制理论的参数自适应控制，滑模控制和建立在微分几何基础上的非线性解耦控制等。随着控制理论的进一步发展，设计新一代交流调速电机及其控制、高效永磁电机等，也是至关重要的。为了实现转速和位置的反馈控制，必须使用测速机或光电码盘以及位置检测器。最近研究的无速度直接反馈控制技术，是发展的方向，它提高了控制系统的可靠性。采用卡尔曼滤波器构成的速度或位置观察器是很有前途的一种检测手段。(清华大学李发海、丁蕴石、李崇坚撰) |
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