现代交直流调速系统的发展与展望

现代交直流调速系统的发展与展望

[摘要] 文章介绍了交直流调速系统的发展和分类,比较了两种调速系统的优缺点,并对新的调速方式进行畅想。

[关键词]直流调速系统交流调速系统发展趋势 v-m系统 pwm 变频调速

电气传动系统在工业领域中是基本的动力系统,应用十分的广泛。近年来,随着电力电子技术和微电子应用技术的迅猛发展,电气行业对电气传动技术的需求也是有增无减。19世纪先后,直流电气传动和交流电气传动相继诞生。在20世纪70年代以前,由于直流传动具有优越性的可控性能,高性能的可调速系统一般都采用直流电动机,因此广泛采用直流电动机作为电机的直流调速系统。直流调速具有调速平滑,方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,

能受频繁的冲击负载,可实现频繁无级快速起制动和反转。能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。所以,直流调速系统至今仍被广泛用于自动控制要求较高的各种生产部门,是调速系统的主要形式。20世纪70年代,由于采用电力电子变换器的高效交流变频调速开发成功,结构简单、成本低廉,工作可靠、维护方便、效率高的交流笼型电机进入了可调速领域,从而直流调速被交流调速所代替。此后,交流调速系统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、极高转速的交流变频调速。

一、直流调速系统的发展

1、直流调速系统的控制方法

直流电动机的转速n的表达式为:

n= (r/min)

上式中:n----电动机的转速;

u----电动机电枢两端电压;

ia---电动机电枢回路电流;

ra----电动机电枢回路总电流;

---电动机励磁磁通;

ce----电动机电势常数。

由上式可知,直流电动机的调速方法有以下三种:

(1)电枢串电阻调速ra。在电动机电枢外串电阻进行调速,只能有级调速,机械特性软,稳定性差,效率低。

(2)降低电源电压调速u。属恒转矩调速方法,转速稳定性好,适用于要求大范围无级平滑调速的系统。

(3)弱磁调速。使电动机从额定转速向上变速,属恒功率调速方法,虽能无级调速,但调速范围不大。

2、直流调压调速系统的发展

通过调节直流发电机的励磁电流的大小和方向即可方便地调节

其输出电压大小和方向,从而实现调压调速方法。调压调速方法常采用可控直流电源供电。早期这种电源来自于旋转变流机组,但因其设备多,体积大,效率低,运行有噪音等不足,在20世纪50年代已被静止变流装置取代。随着电力电子器件的发展,静止变流装置主

要有静止可控整流器和直流斩波或脉宽调制变换器两种调速系统。

(1)静止可控整流器又称之为晶闸管——电动机调速系统(v-m系统),通过调节晶闸管触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位,从而调节整流器输出直流电压的大小和方向,实现平滑调速。这种调速系统响应快,功放大,经济可靠,静止无噪声,但必须设置多种可靠的保护装置和符合散热条件,且易产生电力公害,危及电网以及机械特性的不稳定性。

(2)直流斩波或脉宽调制变换器是利用开关器件的通断实现调压的。它具有效率高,体积小,重量轻,成本低的特点。现在广泛应用于电力机车、电瓶车等电力牵引设备的变速拖动中。其中,最主要的调速方法是脉宽调制(pwm),即保持通断周期t不变,只改变开关导通时间ton。此调速系统响应速度快,动态抗干扰性强,系统低速性能好,调速范围宽,损耗小,效率高,所需元件少,线路简单,控制方便,但受容量的限制,pwm调速系统目前只用于中小功率负载。

二、交流调速系统的发展

1、交流调速系统的控制方法

交流异步电动机的转速公式为:

n=n1(1-s)=(1-s) (r/min)

上式中: n----异步电动机的转速;

n1----旋转磁通势同步转速;

s----转差率;

f1----电源频率;

p----极对数。

由上式可知,交流调速系统的调速方法可分为:

(1)降电压调速;

(2)转差离合器调速;

(3)转子串电阻调速;

(4)绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速;

(5)变极对数调速;

(6)变压变频调速等,以上是一种比较原始的分类方法。

现代科学的分类是:看调速系统的是如何处理转差率的,转差率是消耗还是得到回收。从这点出发,可以把异步电动机的调速系统分成三类:

1)转差功率消耗型调速系统:这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中,上述的第(1、)、(2、)、(3、)三种调速方法都属于这一类;

2)转差功率馈送型调速系统: 在这类系统中,除转子铜损外,大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入,转速越低,能馈送的功率越多,上述第(4、)种调速方法属于这一类;

3)转差功率不变型调速系统: 在这类系统中,转差功率只有转子铜损,而且无论转速高低,转差功率基本不变,因此效率更高,上述的第(5、)、(6、)两种调速方法属于此类。

在上述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。

2、变频调速的发展

变频调速是通过改变电动机定子供电频率f1来改变电动机同步转速n1,从而实现交流电动机调速的一种方法。变频装置工作是随着输出频率的变化,输出电压也要配合改变,因此,变频调速系统常被称为变压变频(vvvf)调速系统。交流电动机变频调速系统的种类很多,从早期提出的电压源型变频器开始,相继发展了电流源型,脉宽调制等各种变频器。目前变频调速的主要方案有:交-交变频调速,交-直-交变频调速,同步电动机自控式变频调速,正弦波脉宽调制(spwm)变频调速,矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展,特别是可关断晶闹管gt0,电力晶体管gtr,绝缘门极晶体管igbt,mos晶闸管及mtc等具有自关断能力全控功率元件的发展,再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用

微机控制,从而使变频装置的快速性,可靠性及经济性不断提高,变频调速系统的性能也得到不断完善。

三、调速系统的展望

随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现,现代控制理论向交流调速领域的渗透,特别是微型计算机及大

规模集成电路的发展,交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。然而直流调速的性能也在不断完善提高,使用在特定的场合,在调速系统中占次要地位,但不会被逃汰。