电气传动技术在各个领域的应用

电气传动技术在各个领域的应用

电气传动技术的特点及展望

1   引言
   电气传动技术是指用电动机把电能转换成机械能，带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动物品的技术；是通过合理使用电动机实现生产过程机械设备电气化及其自动控制的电器设备及系统的技术总称[1]。一个完整的电气传动系统包括三部分：控制部分、功率部分、电动机。
   电气传动技术是电力电子与电机及其控制相结合的产物，内容涉及电机、电力电子、控制理论、计算机、微电子、现代检测技术、仿真技术、电力系统、机械、材料和信息技术等多种学科，是这些学科交叉融合而形成的一门新型的综合性学科。对于位置控制(伺服)系统，也称为运动控制。
   电气传动技术诞生于20世纪初的第二次工业革命时期，电气传动技术大大推动了人类社会的现代化进步。它是研究如何通过电动机控制物体和生产机械按要求运动的学科。随着传感器技术和自动控制理论的发展，由简单的继电、接触、开环控制，发展为较复杂的闭环控制系统。20世纪60年代，特别是80年代以来，随着电力电子技术、现代控制理论、计算机技术和微电子技术的发展，逐步形成了集多种高新技术于一身的全新学科技术一现代电气传动技术。2   电气传动的主体电动机
   电动机分为交流电动机和直流电动机。二者的结构、工作原理不同，所需的电气传动装置也不同。电气传动可分为两类：直流电气传动和交流电气传动。由于历史上最早出现的是以蓄电池形式供电的直流电动机，所以直流传动也是唯一的电气传动方式。直到1885年意大利都灵大学发明了感应电动机，而后出现了交流电，解决了三相制交流电的输变问题交流电气传动才出现。20世纪80年代之前,直流电气传动在高性能的电气传动领域占绝对统治地位。此后,随着电力电子技术和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,交流电气传动得到了快速发展,静动态性能可以与直流电气传动相媲美。因此交流电气传动在高性能的电气传动领域所占比例逐年上升,目前已处于主导地位。
2.1 直流电动机传动
   直流电动机的转速n的表达式为     式中:Ua 电动机电枢两端的电压；Ia 电动机电枢回路电流；R 电动机回路电阻；Ke 电动机电势常数；φ 电动机励磁磁通。
   直流电动机的调速方式有三种：一是调压调速，即保持R和φ不变，通过调节Ua来调节n，是一种大范围无级调速方式；二是弱磁升速，即保持R和Ua不变，通过减少φ来升高n，是一种小范围无级调速方式；三是变电阻调速，即保持Ua和φ不变，通过调节R来调节n，是一种大范围有级调速方式。对于要求大范围平滑调速的直流电气传动系统来说,调压调速方式最好。而且现代工业企业的低压供电系统多数采用交流供电，通过可控变流装置即可提供可调的直流电压信号，所以直流调压调速方式应用最广泛。在电力电子变换器中，用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波器或PWM变换器，以及晶闸管相控整流器。
   直流电气传动控制技术的发展经历了以下演变过程：开环控制→单闭环控制→多闭环控制；分立元件电路控制→小规模集成电路控制→大规模集成电路控制； 模拟电路控制→数模电路混合控制→数字电路控制；硬件控制→软件控制。
2.2 交流电动机传动
   交流电动机分异步电动机和同步电动机两大类。按照异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分：一部分是拖动负载的有效功率P1=(1-s) Pm，另一部分是转差功率Ps=sPm。转差功率是评价调速系统效率高低的一种标志，因此交流异步电动机调速方式分三类：一是转差功率消耗型调速, 即把全部转差功率转化成热能消耗掉。该调速方式结构简单，但效率低，而且转速越低，效率越低；二是转差功率回馈型调速，即转差功率的一部分转化成热能消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化为机械能予以利用。该调速方式结构复杂，但效率比第一类高；三是转差功率不变型调速，即无论转速高低，消耗的转差功率基本不变。该调速方式结构复杂，但效率最高。在异步电动机的各种调速方式中，效率最高、性能最好、应用最广泛的是变压变频调速方式。它是一种转差功率不变型调速，可以实现大范围平滑调速。
   同步电动机没有转差，当然也没有转差功率，所以同步电动机调速只能是转差功率不变型调速。而同步电动机转子极对数固定，因此只能采用变压变频调速方式。
   交流电气传动控制模式的发展经历了以下演变过程:转速开环的恒压频比控制→转速闭环转差频率控制→矢量控制→解耦控制→模糊控制；分立元件电路控制→小规模集成电路控制→大规模集成电路控制；模拟电路控制→数字电路控制；硬件控制→软件控制。3   现代电气传动的物质基础一电力电子器件
   电力电子技术是现代电气传动的基石，其直接决定和影响着现代电气传动的发展。如果把计算机比作现代生产设备的大脑，电力电子器件及功率变换装置则可视为支配手足(电机)的肌肉和神经，因此，电力电子变换器是信息流与物质／能量流之间的重要纽带[2][3]。
   1957年世界上第一只晶闸管(SCR)的问世标志着电力电子学的诞生，从此，电力电子器件的发展日新月异。从20世纪60年代第一代半控型电力电子器件一晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的全控型电力电子器件 CTR，GTO，MOSFET，第三代复合场控制器件一IGBT，SIT，MCT等和正蓬勃发展的第四代模块化功率器件一功率集成电路(PIC)，如智能化模块IPM和专用功率器件模块ASPM等。这为交流传动实现高性能控制提供了必需的变频装置。电力电子器件的每一次更新换代，都会引起功率变换装置和交流传动性能的迅速提高，它们相互竞争、相互促进，向高电压、大电流、高频化、集成化、模块化、智能化方向发展，并逐步在性能和价格上可以与直流传动相媲美，而且在某些方面实现了直流传动所不能达到的高性能。
交流传动在实现节能和获得高性能的同时，也带来了诸如电网功率因数降低、谐波和电磁干扰等“污染”。另外，随着容量的增加，功率变换器的体积增大。为了解决这些弊端，1964年，A．Schonug率先将通信系统的脉宽调制(PWM)技术应用于交流电气传动，使变频器由传统的相控电流型逆变器、电压型逆变器发展到脉宽调制(PWM)型逆变器，大大缓解了对环境的“污染”，减小了变频器的体积，简化了变换装置的控制，为近代交流传动开辟了新的发展领域。目前，常用的交流PWM控制技术有：以输出电压接近正弦波为其控制目标的基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制和基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；以输出正弦波电流为其控制目标的基于电流滞环跟踪的CHPWM控制；以及以被控电机的旋转磁场接近圆形为其控制目标的电压空间矢量控制(SVPWM控制)。电力电子器件及其功率变换装置在交流传动的发展中起着非常关键的作用，可以说没有电力电子技术的发展，就没有今天高性能的电气传动技术。4   电气传动自动化技术发展总趋势及主要的发展方向
   电气传动自动化技术发展总趋势是：交流变频调速逐步取代直流调速、无触点控制取代有接点逻辑控制、全数字控制与数模复合控制并存。电气自动化技术的发展是由用户的需求和相关学科的技术发展所推动的，他直接涉及改善电气传动的性能、价格、尺寸、能源消耗与节约设计，调试等方面。其主要发展方向有：
4.1 实现高水平控制
   电气传动自动化技术基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控、现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解鲁棒观测器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的优化自诊断技术等。以高速微处理器RISC( Reduced Instruction Set Computer )及高速DSP(DigitalSignal Processor)为基础的数字控制模板处理速度大大提高，有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引人可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
4.2 开发清洁电能的变流器   
   所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数接近1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的；对大容量交流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。
4.3 系统化    
   电气传动自动化的发展与其相关技术的发展是分不开的。电气传动自动化技术的发展是将电网、整流器、逆变器、电动机、生产机械和控制系统为一个整体。从系统上进行考虑。例如要求和上位控制的可编程控制器通过串行通信连接，一般都带有串行通讯标准功能（RS-232、RS-485），此外还通过专用的开放总线方式运行。
4.4 CAD技术
   模拟与计算机辅助设计技术(CAD)、电动机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件引人对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
4.5 缩小装置尺寸  
   紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。现在主回路中占发热量50%-70%的IGBT的损耗已大幅度减少，集电极一发射极的饱和电压(Vcesat)大为降低，现已开发出了第4代IGBT:目前，国外已研制成功高密度Building Block(系统集成)。