交直流電機調速技術歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

交直流電機調速技術歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢交直流電機調速技術歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢交直流電機調速技術歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢交直流電機調速技術歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢編制僅供參考審核批準生效日期地址：電話：傳真:郵編:交直流電機調速技術歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 xxx（中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221116）摘要：本文摘錄了交直流電動機的原理以及調速技術歷史發(fā)展的狀況，并整理了一些目前較為常用的交直流調速技術，結合所學知識以及查閱相關資料，對交直流調速技術的發(fā)展趨勢作了一定的分析,最后對交直流調速系統(tǒng)作了總結。關鍵詞：直流電動機、交流電動機、原理、調速技術、歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢History,CurrentSituationandDevelopmentTrendofACandDCmotorSpeedControlTechnologyxxx(Schoolofinformationandelectricalengineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,Jiangsu,China)Abstract:ThispapersummarizestheprincipleofAC/DCmotorspeedcontroltechnologyandthehistoryofthedevelopment,andtosortoutsomeofthemorecommonlyusedACandDCspeedcontroltechnology,combinedwiththeknowledgeandaccesstorelevantdata,thedevelopmenttrendofACandDCspeedcontroltechnologyareanalyzed.FinallytheACandDCspeedcontrolsystemissummarized.Keywords:DCmotor,ACmotor,principle,controltechnology,history,presentsituation,developmenttrend1引言能源在我們日常生活中的應用是一個不爭的事實，要使能源為我們人類所利用，目前大部分要靠電動機和發(fā)電機所實現(xiàn)。而我們在生產過程中，大部分要靠電動機把電能轉換為機械能供人類使用。對一些精確控制，調速技術的發(fā)展至關重要。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在寬范圍內平滑調速，以前在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。目前交流拖動控制系統(tǒng)的應用領域主要有以下三個方面：（1）一般性能調速和節(jié)能調速。在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中，如果換成交流調速系統(tǒng)，每臺風機、水泵平均都可以節(jié)約20%~30%以上的電能。但風機、水泵的調速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調速性能。(2)高性能的交流調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。由于交流電機原理上的原因，其電磁轉矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。20世紀70年代初發(fā)明了矢量控制技術，或稱磁場定向控制技術,從而使交流電機的調速技術取得了突破性的進展。其后，又陸續(xù)提出了直接轉矩控制、解耦控制等方法。常應用在電梯的交流調速系統(tǒng)中。(3)特大容量、極高轉速的交流調速。直流電機的換向能力限制了它的容量轉速積不超過106kW·r/min，超過這一數(shù)值時，其設計與制造就非常困難了。交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調速為宜。 2直流電動機調速技術簡介由于直流電動機具有很好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調速系統(tǒng)。然而由于直流電機需要設置機械換向器和電刷，因此直流調速存在結構性缺陷：機械換向器結構復雜，成本增加，同時機械強度低，電刷容易磨損，需要經常維護，影響運行可靠性。由于運行中電刷易產生火花，限制了使用場合，不能用于化工礦山煉油廠等有粉塵腐蝕易燃易爆物質或氣體的惡劣環(huán)境。由于存在換向問題，難于制造大容量高轉速及高電壓直流電機，最大容量只能達到400-500kw，低速直流電動機也只能到幾千千瓦，遠遠不能適應現(xiàn)代工業(yè)生產向高速大容量化發(fā)展的需要。但是直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎。因此加強對直流調速系統(tǒng)的發(fā)展有利于更進一步發(fā)展交流調速系統(tǒng)，促進調速系統(tǒng)的進一步完善。基本原理他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路如圖1所示：圖1 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉速可表示為:(1-1)式中:U-電樞端電壓I-電樞電流R-電樞電路總電阻Φ-每極磁通量K-與電機結構有關的常數(shù)由上式可知，直流電機轉速n的控制方法有三種:(1)調節(jié)電樞電壓U。改變電樞電壓從而改變轉速，屬恒轉矩調速方法，動態(tài)響應快，適用于要求大范圍無級平滑調速的系統(tǒng);(2)改變電機主磁通。只能減弱磁通，使電動機從額定轉速向上變速，屬恒功率調速方法，動態(tài)響應較慢，雖能無級平滑調速，但調速范圍小;(3)改變電樞電路電阻R。在電動機電樞外串電阻進行調速，只能有級調速，平滑性差、機械特性軟、效率低。對于要求一定范圍內無極平滑調速系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在額定轉速以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制直流調速系統(tǒng)往往以變壓調速為主。歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 直流電動機電力拖動在19世紀中葉誕生，在20世紀前半葉，只有20%的高性能可調速拖動系統(tǒng)采用直流電動機。直流電動機的數(shù)學模型簡單，轉矩易于控制。換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦，使轉矩與電樞電流成正比。1960年以來，晶閘管整流器的應用，使得直流調速技術得到了飛速對的發(fā)展。采用可控晶閘管組成整流器的晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)，它們在20世紀60年代起得到了廣泛的應用。用全控型電力電子器件可組成直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)，現(xiàn)在越來越多地取代了晶閘管-電動機系統(tǒng)。主要有以下3個方面：（1）轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)；（2）轉速、電流反饋控制的直流調速系統(tǒng)；（3）可逆控制和弱磁控制的直流調速系統(tǒng)。目前由于交流調速技術的迅速發(fā)展，直流調速技術逐漸被淘汰。3交流電動機調速技術簡介交流電機，尤其是籠型異步電動機，由于結構簡單，制造方便，造價低廉，堅固耐用，無需維護，運行可靠，更可用于惡劣的環(huán)境之中，特別是能做成高速大容量，因此在工農業(yè)生產中得到了極為廣泛的應用。但是交流電動機調速，控制比較困難，這是由于同步電動機的氣隙磁場有電樞電流和勵磁電流共同產生，其磁通值不僅決定于這兩個電流的大小，還與工作狀態(tài)有關；異步電動機則電樞與勵磁同在一個繞組，兩者間存在強烈的耦合，不能簡單地通過控制電樞電壓或電流來準確控制氣隙磁通進而控制電磁轉矩，因而不能有效地實現(xiàn)電機的運動控制。原理及調速方法交流電機主要分為異步電機（即感應電機）和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調速系統(tǒng)。由轉速n＝60f（1－s）/p可知異步電動機調速有以下幾方法：（1）改變磁極對數(shù)p定子磁場的極對數(shù)取決于定子繞組的結構。所以，要改變p，必須將定子繞組制為可以換接成兩種磁極對數(shù)的特殊形式。通常一套繞組只能換接成兩種磁極對數(shù)。變極調速的主要優(yōu)點是設備簡單、操作方便、機械特性較硬、效率高、既適用于恒轉矩調速，又適用于恒功率調速；其缺點是有極調速，且極數(shù)有限，因而只適用于不需平滑調速的場合。（2）定子調壓調速當負載轉矩一定時，隨著電機定子電壓的降低，主磁通減少，轉子感應電動勢減少，轉子電流減少，轉子受到的電磁力減少，轉差率s增大，轉速減小，從而達到速度調節(jié)的目；同理，定子電壓升高，轉速增加。調壓調速的優(yōu)點是調速平滑，采用閉環(huán)系統(tǒng)時，機械特性較硬，調速范圍較寬，缺點是低速時，轉差功率損耗較大，功率因素低，電流大，效率低。調壓調速既非恒轉矩調速，也非恒功率調速，比較適合于風機泵類特性的負載。（3）轉子變電阻調速當定子電壓一定時，電機主磁通不變，若減小定子電阻，則轉子電流增大，轉子受到的電磁力增大，轉差率減小，轉速降低；同理增大定子電阻，轉速增加。轉子變電阻調速的優(yōu)點是設備和線路簡單，投資不高，但其機械特性較軟，調速范圍受到一定限制，且低速時轉差功率損耗較大，效率低，經濟效益差。目前，轉子變電阻調速只在一些調速要求不高的場合采用。（4）電磁轉差離合器調速異步電動機電磁轉差離合器調速系統(tǒng)以恒定轉速運轉的異步電動機為原動機，通過改變電磁轉差離合器的勵磁電流進行速度調節(jié)。電磁轉差離合器由電樞和磁極兩部分組成，二者之間沒有機械的聯(lián)系，均可自由旋轉。離合器的電樞與異步電動機轉子軸相連并以恒速旋轉，磁極與工作機械相連。電磁轉差離合器調速的優(yōu)點是控制簡單，運行可靠，能平滑調速，采用閉環(huán)控制后可擴大調速范圍，運用于通風類或恒轉矩類負載；其缺點是低速時損耗大，效率低。（5）串極調速前面介紹的定子調壓調速、轉子變電阻調速、電磁轉差離合器調速均存在著轉差功率損耗較大、效率低的問題，是很大的浪費。如何能夠將消耗于轉子電阻上的功率利用起來，同時又能提高調速性能串極調速就是在這樣的指導思想下提出來的。串極調速的基本思想是將轉子中的轉差功率通過變換裝置加以利用，以提高設備的效率。串極調速的工作原理實際上是在轉子回路中引入了一個與轉子繞組感應電動勢頻率相同的可控的附加電動勢，通過控制這個附加電動勢的大小，來改變轉子電流的大小，從而改變轉速。串極調速具有機械特性比較硬、調速平滑、損耗小、效率高等優(yōu)點，便于向大容量發(fā)展，但它也存在著功率因素較低的缺點。（6）變頻調速當極對數(shù)p不變時，電動機轉子轉速與定子電源頻率成正比，因此，連續(xù)的改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑的調節(jié)電動機的轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍廣、調速平滑性能好、機械特性較硬的優(yōu)點，可以方便的實現(xiàn)恒轉矩或恒功率調速，整個調速特性與直流電動機調壓調速和弱磁調速十分相似，并可與直流調速相比美?，F(xiàn)如今，交流電機調速的重點方向在于變頻調速。歷史、發(fā)展及未來趨勢1880年前只有直流電力拖動，1895年左右，發(fā)明了交流電，就有了交流電力拖動，1960年前，高性能可調速拖動都采用直流電機（20%），不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機（80%），1930年開始，交流調速系統(tǒng)的多種方案出現(xiàn)，并獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統(tǒng)相匹敵。直到20世紀60~70年代，隨著電力電子技術的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)；大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調速系統(tǒng)便應運而生。一直被認為是天經地義的交直流拖動按調速性能分工的格局終于被打破了。同步電機沒有轉差，也就沒有轉差功率，所以同步電機調速系統(tǒng)只能是轉差功率不變型（恒等于0）的，而同步電機轉子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調速，沒有像異步電機那樣的多種調速方法。在同步電機的變壓變頻調速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調速和自控變頻調速兩類。（1）自控變頻調速利用轉子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作無換向器電機調速，或無刷直流電機調速。(2)開關磁阻電機是一種特殊形式的同步電機，有其獨特的比較簡單的調速方法，在小容量交流電機調速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。交流調速技術已經發(fā)展了好多年，有以下幾種發(fā)展趨勢：(1)新的控制策略異步電動機是一個多變量、強耦合、時變的非線性系統(tǒng)，瞬時轉矩的控制困難，使它的動態(tài)性能很長時間內不如直流電機。矢量控制技術開創(chuàng)了交流電機高性能控制的新時代，但矢量控制對電機參數(shù)的依賴很大，使之也有不盡人意之處，磁鏈跟蹤型PWM控制逆變器及與之相關的轉矩直接控制正受到廣泛關注?；诂F(xiàn)代控制理論的滑模結構控制、自適應控制等均已引入電機控制，又如把模糊控制、人工神經網絡控制、專家系統(tǒng)等無需精確數(shù)學模型的智能控制技術應用于變頻調速中也得到了廣泛的研究。(2)新型變流裝置和變流技術隨著電力電子元器件的不斷發(fā)展，調速系統(tǒng)用的變流裝置正朝向高電壓、大容量、小型化、高頻化的方向發(fā)展，中高電壓(10kV)、大容量(10MW)的變頻器已得到了應用，變流主元件的開發(fā)頻率越來越高，裝置的體積越來越小，為提高開關頻率、降低開關損耗，軟開關技術已經開始得到實際應用。變流裝置對電網的諧