电气传动技术的发展趋势分析

2019-08-09 10:54

  电气传动的关键部件是电动机。电动机的性能、结构、控制方式和转速控制是人们在不断研究和探索的对象。通过几十年的研究,电动机的控制已经实现了自动化。随着信息化、智能化技术的推进,电气传动技术正面临着一场技术革命。把微电子技术、电力电子技术和传感技术融入到电气传动领域,三者构成大电子体系。只有这样的大电子体系,才能带动和改造传动产业升级换代。这样的融入,把物料流、能源流和信息流三者会流在一起,形成当代的智能化、信息化的传动系统。

  一、电气传动控制的主要措施

  最早的电气控制手段是机械控制,后来逐步让位于电气控制和电子控制。在近代电气传动控制手段中,电子控制占了很大的比例。常用的电子控制方法有两种:模拟控制和数字控制。自20世纪70年代以来,体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化,把电子控制推上了一个崭新的阶段,以微处理器为核心的数字控制成为现代电气传动的系统控制器的主要形式。

  目前,常用的微处理器有:单片机(SCP)、数字信号处理器(DSP)、精简指令计算机(RISC)和包含微处理器的高级专用集成电路(ASIC)。由于计算机除一般的计算功能外,还具有逻辑判定和数值运算功能,因此数字控制与模拟控制相比有两个突出的优点:

  1)数字控制器能够实现模拟控制无法实现的各种比较复杂的控制策略;

  2)数字控制系统能够完成故障的自我诊断,提高诊断过程的智能化。

  在模拟控制过程中,为了使系统的稳定性提高,往往采用闭环控制,使用比例积分调节器。当系统突然收到干扰作用时,输出量发生变化,通过负反馈,在比例积分调节器的作用下,使得系统的输出量回到原来的数值。只要偏差存在,比例、积分两部分就同时起作用。在过渡过程中,会使输出量出现超调现象,系统会出现振荡现象,若比例作用太强,就会影响系统的正常工作。采用微机数字控制可将比例、积分作用分离开。当偏差大时,只让比例部分起作用,以快速减少偏差。当偏差降低到一定程度后,再将积分投入,以最终消除稳态误差。两种作用各得其所,避免了相互之间的矛盾,提高了系统的控制性能。

  二、电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口

  电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间的重要纽带,如果没有电力电子交换,没有弱电控制强电的接口,则信息始终就是信息,不可能真正用来控制物质产生。现在,电力电子技术的发展正处于兴旺时期,新的电力电子器件和变换技术仍在不断地涌现出来。电力电子器件的发展已经经过三个平台:

  1)晶闸管(SCR);

  2)GTR和GTO;

  3)IGBT。

  目前,市场上能够广泛供应的IGBT,其电压和电流容量有限,一般只够中、小容量的低压电器传动使用。容量再大时,还得采用GTO,而GTO的可靠性总是不能令人满意的。于是,世界上很多电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件。已经问世的有:IGCT、IEGT以及3300~6000V的IGBT等,可供中压、大容量电气传动使用。电力电子器件的进一步发展方向是:模块化和集成化、高频化、改善封装,采用新材料(如SIC)等。为电气传动的信息化、智能化控制提供了重要基础和保障。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。用于控制交流电机的,主要是变压变频器,其中中、小容量的多为PWM变换器。随着电力电子变换器的日益普及,谐波和无功电流给供电企业电网造成的电力公害越来越值得重视。解决方法是:

  1)采用有源滤波和无功补偿;

  2)开发绿色电力电子变换器。这种方法要求功率因数可控,各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度。显然这是一种制本的最好方法。目前,已经应用的绿色变换器有:双PWM交直交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等。受到普遍重视还在开发的有:交交矩阵式变换器,它具有输入电流和输出电压都接近正弦波、能量传输可逆、可省去直流滤波电容等特优点。

  三、发展趋势:可控交流电气传动逐步取代直流传动

  直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪大部分年代里,鉴于直流传动具有优越的可控性能,高性能可调速传动一般都用直流电机,而约占电气传动总容80%的不变速传动则采用交流电机。这种分工在当时已成为举世公认的格局。直到20世纪70年代,由于采用电力电子变换器的高效交流变频传动开发成功,结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域,一直被认为是天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。此后,交流调速传动主要沿着三个方向发展和应用:

  1)一般性能的节能调速和工艺调速;

  2)高性能交流调速系统;

  3)特大容量、极高速的交流传动。

  交流调速在国内外发展十分迅速。交流传动一般采用交直交变频。变频调速就是把50Hz的交流电变成直流电,再把直流电逆变成不同频率的交流电,电动机的转速将由变换后的电源频率来控制调速的方法。

  国民经济要可持续发展,就必须节约能量。采用变频调速以后,节约电能的效果是非常明显的。在实际电气传动中,应用于风机、泵、压缩机的电动机大约占40%,而实际应用变频调速的只占5%左右。交流变频调速还有待于进一步推广和使用。采用变频调速以后,带来一些设计观念上的变化。长期以来,我们设计制造电动机时主要考虑启动转矩,把起动转矩大当作一个基本出发点。鉴于增加启动电阻就可增大启动转矩,异步电动机定子常采用双笼或深槽结构。在启动时,磁场对转子强切割,产生的集肤效应把转子电流排到外绕组中,外绕组电阻就很大,这样启动电阻就大,以保证足够的启动转矩。这样一来,转子和定子的尺寸加大了,因而材料多了、重量增加了。有了变频调速后,随着频率从低到高的变化,电机的启动转矩自然会变得比较大。在电机的设计制造思想上可以摆脱启动转矩的限制,按照新的工况重新考虑。既可以使电效率提高,还可以使电动机小型化。这是变频专用电机高效的一条重要思路。

  随着信息化、智能化技术的不断发展,电气传动技术将向网络化控制与管理的方向迈进。

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