【摘要】:电力传动自动控制是指在没有人直接参与的情况下,利用控制装置对各种电动机的转速大小和转角位置进行自动调节与控制,使之按照预定的方案达到要求的指标。直流传动采用直流电动机作为原动机的传动方式,由于直流调速系统具有良好的启制动、正反转及调速特性,目前在电力传动领域仍然占有重要地位。随着微电子技术的发展,数字化电力传动系统也得到迅速发展。
电力传动自动控制是指在没有人直接参与的情况下,利用控制装置对各种电动机的转速大小和转角位置进行自动调节与控制,使之按照预定的方案达到要求的指标。电力传动自动控制系统是以电动机的转矩和转速为控制对象,按生产机械的工艺要求进行电动机转速(或位置)控制的自动化系统。根据完成电能—机械能转换过程中所采用的执行部件不同,工程上通常把电力传动分为直流传动和交流传动。
直流传动采用直流电动机作为原动机的传动方式,由于直流调速系统具有良好的启制动、正反转及调速特性,目前在电力传动领域仍然占有重要地位。虽然近年来交流传动技术发展迅速,但是就其闭环控制的基本理论来说,直流传动调速与控制的原理和实现方法都是交流传动的基础。从根本上来分析,直流电动机的电枢和磁场能独立进行激励,而且转速和输出转矩的描述是对可控电压(或电流)激励的线性函数,因此容易实现各种直流电动机的调速控制,也容易实现对控制目标的最佳化。这就是直流传动长期主导调速领域的原因。
1957年,美国GE公司开发了世界上第一个晶闸管,人类从此进入电力电子技术迅速发展和电力电子器件广泛应用时期。晶闸管供电的直流调速系统具有良好的技术经济指标,目前国内大容量的调速系统还是沿用晶闸管-电动机传动结构,即V-M系统。由于晶闸管存在着控制的非线性和较低的功率因数等缺点,难以实现高精度、宽范围的速度控制。从20世纪70年代后期开始,电力电子器件进入了全控器件发展时期,可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等全控器件相继问世,不仅可靠实现了器件的开关控制,取消了原来普通晶闸管系统必需的换相电路,简化了电路结构,而且提高了电路的效率,提高了器件开关的频率,降低了器件工作的噪声,使电力电子器件性能得到本质的提升,同时也减小了电力电子装置的体积和质量。随着控制技术的发展,斩波器或脉冲宽度调制型(PWM)变换器也逐步取代功率因数较差的相控变流器,明显提高了电动机的调速精度,扩大了调速范围,改善了快速性、效率和功率因数。PWM电源最终将取代晶闸管相控式可控功率电源,成为可控直流电源的主流。
直流电动机存在机械换相问题,限制了最大供电电压,机械强度也限制了转速的提高,自身结构导致其不适合在腐蚀性、易爆性和含尘气体场合工作。因此,交流电动机一直受到人们的重视,它体积小、质量轻,没有换相结构,制造简单,结构牢固,转动惯量小,工作可靠,易于维修。长期以来,因没有理想的调速方案,只被应用在恒速传动领域。电力电子技术的发展,晶闸管尤其是全控器件的出现,使得交流传动的发展出现一个飞跃,使得采用电力电子技术的交流调速得以实现。早期由于交流电动机的控制比较复杂,调速性能较差,装置价格高、效率低,其应用范围受到限制。随着电力电子技术、微型计算机控制技术及自动控制技术的发展,异步电动机变频调速、绕线型异步电动机串级调速、无换向器电动机调速已广泛应用,PWM技术、矢量控制技术、直接转矩控制技术都有重大突破与发展。目前采用大功率器件和大规模集成电路的交流电动机调速系统已经具备了较宽的调速范围、较高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率以及实现四象限运行的良好性能,其静、动态特性均可以与直流电动机调速系统媲美。客观地说,交流传动已经逐步取代直流传动,已经成为电力传动明显的发展趋势。值得重视的是,交流电动机调速的节能技术得到很大发展,约占工业电力传动用电总量一半的通用机械(风机、泵类负载)都采用交流电动机调速实现风量或流量的控制,有效减少了电能的消耗。
同步电动机是一种转速与电压频率严格保持一致的电动机,其机械特性硬。
电励磁同步电动机还有一个显著的优点,就是可以通过控制励磁来调节它的功率因数,使功率因数达到1,甚至可产生超前的功率因数角。当然同步电动机也存在不足,同步电动机在电网直接供电时,存在启动困难和产生失步的问题。电力电子变频技术的发展,圆满解决了阻碍同步电动机发展的两大问题,永磁式同步电动机、直流无刷电动机等新型同步电动机的问世,使得同步电动机的传动控制得到快速发展。
随着微电子技术的发展,数字化电力传动系统也得到迅速发展。为实现机电装置的小型化、高性能化和低成本,20世纪80年代初开始,世界各国电子厂商开发了各种功率集成电路,成功地在多个领域得到应用。功率集成电路是电力电子技术与微电子集成技术结合,用以控制电动机运行的电子控制驱动系统,包括前级的微功率控制单元和后级的功率驱动单元。前级控制单元容易实现集成化,通常采用模拟-数字混合电路;后级驱动单元也逐步实现集成化了,称为功率集成电路。它是将若干个高电压、大电流、大功率的电力电子开关器件集成在同一个芯片上,有些产品同时将控制电路、检测电路、诊断电路、保护电路也集成在同一芯片上或一个混合模块里,从而使功率器件注入了智能,故又称为智能功率集成电路。目前有相当一部分产品采用更大规模的功率集成电路,它把微功率控制单元和功率驱动单元都集成在一起,用一个集成电路模块就可以控制一台甚至多台电动机。从分立单元电路到专用集成电路的发展,使得电动机的传动控制更为方便,同时使得控制器体积减小、性能提高、调节简便、成本下降,而且大大提高了传动控制系统的可靠性和抗扰性。
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