現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用摘要：隨著電力電子器件的發(fā)展，以及對(duì)效率的追求，交流調(diào)速得到快速發(fā)展，加上新技術(shù)、新理論不斷滲透到交流調(diào)速之中，使其不斷呈現(xiàn)新的面貌。十九世紀(jì)交流調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，與直流調(diào)速技術(shù)相媲美，但由于直流調(diào)速技術(shù)的性能要比交流調(diào)速技術(shù)的性能要好得多，所以交流調(diào)速技術(shù)無(wú)法取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，目前，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)已有超越直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞交流調(diào)速技術(shù)直流調(diào)速技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展交流調(diào)速脈寬調(diào)制ApplicationandDevelopmentofModernACVariableSpeedTechnologyDENGXiaoxiang，LIUYuanyi，MENGJiaoru（HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology，Harbin，Heilongjiang150027）AbstractACvariablespeedoccursinthenineteenthcentury，comparabletoDCconversiontechnology，butbecauseoftechnicalperformanceDCspeedthanACvariablespeedperformanceismuchbetter，sothetechnologycannotreplacethetraditionalACvariablespeedDCdrivetechnicalpositioninthefieldofelectricdrive.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology，promotingthedevelopmentofACvariablespeedtechnology，topromotetheapplicationanddevelopmentofmodernACvariablespeedtechnology，atpresent，hasbeenbeyondthemodernACvariablespeedDCconvertertechnologytrends.KeywordsACvariablespeedtechnology；DCconvertertechnology；applicationanddevelopment引言

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義。

1現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用1.1變級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用所謂變級(jí)調(diào)速就是有效調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使其運(yùn)行速度一致，這是最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)方法。采用交流調(diào)技術(shù)就是通過(guò)利用電動(dòng)機(jī)的改接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)從一個(gè)級(jí)數(shù)到另一個(gè)級(jí)數(shù)的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)了不同步電動(dòng)機(jī)的有級(jí)調(diào)速。變級(jí)調(diào)速系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、設(shè)備價(jià)格低，工作輕松且具有可靠性，但僅限于有級(jí)調(diào)速，其速度一般可分為兩種速度，在現(xiàn)實(shí)中三種速度以上的變級(jí)電機(jī)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣等原因，在現(xiàn)實(shí)中很少應(yīng)用。電機(jī)繞組設(shè)計(jì)是采用變級(jí)調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵，因此，最佳的電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)就是采用最少的繞組線圈改接與引出頭。1.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)也稱為繞線轉(zhuǎn)子不同步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，其原理是將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率加以利用的一種節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的調(diào)速方法。在轉(zhuǎn)子回路中串入阻值大小不相同電阻，從而得到電動(dòng)機(jī)不同斜率的機(jī)械性能，有效實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)功能，這是傳統(tǒng)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的方法，同時(shí)也是一種簡(jiǎn)短的操作方法，缺點(diǎn)是調(diào)速是有級(jí)的、不平滑，并且由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率大多都消耗在電阻發(fā)熱上面，降低了轉(zhuǎn)差效率。隨著大功率的電子器件產(chǎn)品的誕生，傳統(tǒng)采用在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榫чl管功率變換器，有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的作用，同時(shí)也構(gòu)成了晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，是由繞線不同步電跟蹤型PWM法。PWM技術(shù)的應(yīng)用克了相控原理的所有弊端,使交流電動(dòng)機(jī)定子得到了接近正弦波形的電壓和電流,提高了電機(jī)的功率因數(shù)和輸出功率?，F(xiàn)代PWM

生成電路大多采用具有高度輸出口HSO

的單片機(jī)(如80196)

及數(shù)字信號(hào)處理器DSP

(Digital

Signal

Processor)

,通過(guò)軟件編程生成PWM

。近年來(lái),新型全數(shù)字化專用PWM

生成芯片HEF4752

、SLE4520

、MA818

等達(dá)實(shí)用化,并已實(shí)際應(yīng)用。2.3矢量變換控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

眾所周知,直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性,其根本原因在于作為控象的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進(jìn)行控制。而交流電動(dòng)機(jī)是個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)藕合的被控對(duì)象,作為變頻系統(tǒng)的控制對(duì)象———它是否可以模仿直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制呢。1975

年,德國(guó)學(xué)者F

Blaschke

提出了矢量變換控制原理,成功地解決了交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制,在定向于轉(zhuǎn)子磁通的基礎(chǔ)上,采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕,實(shí)現(xiàn)了將交流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程等效為直流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程,在理論上實(shí)現(xiàn)了重大突破,從而使得交流調(diào)速的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能完全可能同直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美。矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標(biāo)軸與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的坐標(biāo)接轉(zhuǎn)矩控制也是一種很有前途的控制技術(shù)。目前,采用IG2

BT

、IGCT

的直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻調(diào)速裝置已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸部門中。2.4微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

隨著微機(jī)控制技術(shù),特別是以單片微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器SP為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)迅速發(fā)展,現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制迅速走向數(shù)字控制。當(dāng)今模擬控制器已被淘汰,全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已普遍得到應(yīng)用。數(shù)字化使得控制器對(duì)信息處理能力大幅度提高,許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制,如矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換運(yùn)算、解藕控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制等,采用微機(jī)控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統(tǒng)如果沒(méi)有微機(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。此外,微機(jī)控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能,特別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實(shí)現(xiàn)。

微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作、設(shè)置的多樣性和靈活性,降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。用于交流調(diào)速系統(tǒng)的微處理器的發(fā)展經(jīng)歷了單片機(jī)(MCS)

→數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)

→精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(Reduced

Instruction

Set

ComputerRISC)

三個(gè)階段。

3

現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的類型

現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動(dòng)機(jī)，電力電子功率交換器，控制器和檢測(cè)器等四大部分組成。電力電子功率變換器，控制器，電量檢測(cè)器集中于一體，稱為變頻器（變頻調(diào)速裝置）。交流電機(jī)的不同，繁衍出不同的交流調(diào)速系統(tǒng)。因此現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)可分為異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。目前較為常用的三種方案，他們是異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)：異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)（3）同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。4現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展研究4.1新型電力電子器件的研制限制現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)中電力電子技術(shù)應(yīng)用的因素主要有以下四個(gè)方面：（1）是指基于電力電子技術(shù)的控制手段與控制策略的因素；（2）是指電動(dòng)機(jī)變換器的結(jié)構(gòu)限制因素；（3）是指電子電子器件的性能限制因素；（4）是指電力電子器件的價(jià)格因素。伴隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件由原來(lái)的不可控制到現(xiàn)代的可控制技術(shù)，由原來(lái)的低電壓等級(jí)到現(xiàn)在的高電壓等級(jí)，同時(shí)也促進(jìn)了各種新型電動(dòng)機(jī)變換器的誕生，形成了各種新的控制理論在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了交流調(diào)速技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)電力電子器件提出了更高的要求，有效促進(jìn)了先進(jìn)的、新型的電力電子器件的誕生，以滿足現(xiàn)代應(yīng)用系統(tǒng)的高效性、智能性、集成性、統(tǒng)一性、數(shù)字性以及高頻性等一系列的發(fā)展要求。與此同時(shí)，電力電子器件應(yīng)用所產(chǎn)生的諧波，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)電機(jī)產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)矩脈沖，不僅增加了電動(dòng)機(jī)的附加損耗量，也形成了噪音污染，而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，大大影響了電動(dòng)機(jī)電機(jī)的調(diào)速范圍與穩(wěn)定性，因此電力電子器件應(yīng)用所帶來(lái)的污染問(wèn)題，也是目前研究的重點(diǎn)課題。③4.2數(shù)字化控制系統(tǒng)為了有效使現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)與現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及智能技術(shù)有效結(jié)合，同時(shí)還可以有效提高現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的性能，因此，必須使現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。在過(guò)去的交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中，廣泛應(yīng)用的是單片機(jī)，然而隨著新的交流電動(dòng)機(jī)電機(jī)的控制理論的不斷推陳出新，電動(dòng)機(jī)電機(jī)的控制技術(shù)、控制方法以及控制策略等也趨向于復(fù)雜性控制、自適應(yīng)化控制、智能化控制、模糊化控制、個(gè)性化控制等，在現(xiàn)代交流電動(dòng)機(jī)電機(jī)的直接矩控制與入存量控制中得到廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，單片機(jī)受自身性能限制，已無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求。④5結(jié)語(yǔ)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)已相對(duì)成熟，并在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而隨著新的科學(xué)技術(shù)手段、新的電子產(chǎn)品以及新的控制方法的誕生，豐富了現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的功能，滿足了現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展需求，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有很大的發(fā)展?jié)摿εc空間。⑤項(xiàng)目：《東北老工業(yè)基地轉(zhuǎn)型升級(jí)背景下卓越人才培養(yǎng)模式的改革與探索》，黑龍江科技學(xué)院教學(xué)研究基金項(xiàng)目，年限2012.03注釋①肖倩華，廖世海，劉華民.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].科技廣場(chǎng)，2009.14（6）：187-189.②楊曉麗，沈愛(ài)弟，俞宏生.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進(jìn)中的應(yīng)用[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版）