一文了解交流調速系統的發展現狀及趨勢

隨著電力電子器件的發展，以及對效率的追求，交流調速得到快速發展，加上新技術、新理論不斷滲透到交流調速之中，使其不斷呈現新的面貌。本文主要介紹交流調速系統的發展現狀及趨勢，首先介紹了現代交流調速技術的發展，其次介紹了現代交流調速系統的類型及交流調速系統之國內外發展，最后闡述了交流調速系統的發展趨勢，具體的跟隨小編一起來了解一下。

一、現代交流調速技術的發展

現代交流調速的法陣可分為幾個階段20 世紀60 年代中期，德國的ASchonung 等人率先提出了脈寬調制變頻的思想，他們把通信系統中的調制技術推廣應用于變頻調速中，為現代交流調速技術的發展和實用化開辟了新的道路。從此，交流調速理論及應用技術大致沿下述四個方面發展。

（1）電力電子器件的蓬勃發展

電力電子器件是現代交流調速裝置的支柱，其發展直接決定和影響交流調速技術的發展。迄今為止，電力電子器件的發展經歷了分立換流關斷器件（第一代）→自關斷器件（第二代）→功率集成電路PIC （第三代）→智能模塊IPM （第四代）四個階段。

20 世紀80 年代中期以前，變頻裝置功率回路主要采用晶閘管元件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容量的直流調速裝置相比。

20 世紀80 年代中期以后用第二代電力電子器件GTR （Giant Transistor）、GTO （Gate TurnOff thyistor）、VDMOS-IGBT（Insulated GateBipolar Transis2 tor） 等創造的變頻裝置在性能與價格比上可以與直流調速裝置相媲美。隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向繼續發展，第三代電力電子器件是20 世紀90 年代制造變頻器的主流產品，中、小功率的變頻調速裝置（1-100kw） 主要是采用IGBT，中、大功率的變頻調速裝置（1000-10000kw） 采用GTO 器件。

20 世紀90 年代至今，電力電子器件的發展進入了第四代。主要實用的第四代器件為：

（1）高壓IGBT 器件

（2） IGCT （Insulated Gate Controlled。由于GTR、GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件進入第三代以來，GTR 器件已被淘汰不再使用。

進入第四代后，GTO 器件也將被逐步淘汰。第四代電力電子器件模塊化更為成熟。如智能化模塊IPM、專用功率器件模塊ASPM 等。模塊化功率器件將是21世紀主宰器件。需要指出的是，以上所述的全控型開關功率器件主要應用于異步電動機變頻調速系統中，其原因眾所周知。但是目前同步電動機變頻調速系統中仍采用晶閘管，其原因也是眾所周知的。一代電力電子器件帶來一代變頻調速裝置，性價比一代高過一代。在人類社會進入信息化時代后，電力電子技術連同電力傳動控制與計算機技術一起仍是21世紀最重要的兩大技術。電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調速時電機的轉矩脈動，提高了電機的工作效率，擴大了調速系統的調速范圍。

（2）脈寬調制（PWM）技術

脈寬調制（PWM） 技術種類很多，并且正在不斷發展之中?；旧峡煞譃樗念?，即等寬PWM 法、正弦PWM 法（SPWM）、磁鏈追蹤型PWM 法及電流跟蹤型PWM 法。PWM 技術的應用克服了相控原理的所有弊端，使交流電動機定子得到了接近正弦波形的電壓和電流，提高了電機的功率因數和輸出功率?，F代PWM 生成電路大多采用具有高度輸出口HSO 的單片機（如80196） 及數字信號處理器DSP （DigitalSignal Processor），通過軟件編程生成PWM。近年來，新型全數字化專用PWM 生成芯片HEF4752 SLE4520 MA818 等達到實用化，并已實際應用。

（3） 矢量變換控制技術及直接轉矩控制技術

眾所周知，直流電動機雙閉環調速系統具有優良的靜、動態調速特性，其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電動機電磁轉矩能夠容易而靈活地進行控制。而交流電動機是個多變量、非線性、強藕合的被控對象，作為變頻系統的控制對象一 它是否可以模仿直流電動機轉矩控制規律而加以控制呢。1975 年，德國學者F Blaschke 提出了矢量變換控制原理，成功地解決了交流電動機電磁轉矩的有效控制，在定向于轉子磁通的基礎上，采用參數重構和狀態重構的現代控制理論概念實現了交流電動機定子電流的勵磁分量和轉矩分量之間的解藕，實現了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，在理論上實現了重大突破，從而使得交流調速的動態和靜態性能完全可能同直流傳動系統相媲美。矢量控制的關鍵是靜止坐標軸與旋轉坐標軸系之間的坐標接轉矩控制也是一種很有前途的控制技術。目前，采用IG2 BT、IGCT 的直接轉矩控制方式的變頻調速裝置已廣泛應用于工業生產及交通運輸部門中。

（4） 微型計算機控制技術

隨著微機控制技術，特別是以單片微機及數字信號處理器DSP 為控制核心的微機控制技術的迅速發展，現代交流調速系統的控制回路由模擬控制迅速走向數字控制。當今模擬控制器已被淘汰，全數字化的交流調速系統已普遍得到應用。數字化使得控制器對信息處理能力大幅度提高，許多難以實現的復雜控制，如矢量控制中的復雜坐標變換運算、解藕控制、滑模變結構控制、參數辨識的自適應控制等，采用微機控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統如果沒有微機的支持是不可能真正實現的。此外，微機控制技術又給交流調速系統增加了多方面的功能，特別是故障診斷技術得到了完全的實現。

微機控制技術的應用提高了交流調速系統的可靠性和操作、設置的多樣性和靈活性，降低了變頻調速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數字控制已成為現代交流調速系統的主要特征之一。用于交流調速系統的微處理器的發展經歷了單片機（MCS）一數字信號處理器（DSP）-精簡指令集計算機（ReducedInstruction Set ComputerRISC） 三個階段。

二、現代交流調速系統的類型

現代交流調速系統由交流電動機，電力電子功率交換器，控制器和檢測器等四大部分組成。電力電子功率變換器，控制器，電量檢測器集中于一體，稱為變頻器（變頻調速裝置）。交流電機的不同，繁衍出不同的交流調速系統。因此現代交流調速系統可分為異步電動機調速系統和同步電動機調速系統。目前較為常用的三種方案，他們是異步電動機交流調速系統：

（1）異步電動機交流調速系統。

（2）開關磁阻電動機的交流調速系統

（3）同步電動機調速系統。

三、交流調速系統之國內外發展

長期以來，我國的傳動技術特別是交流調速技術與國外發達國家存在著較大的差距，但自改革開發以來，這一技術得到了迅速的發展，并以極快的速度趕了上來。

我國在應用變頻調速技術上目前雖說尚處于初級階段，但其發展速度逐年增長較快，國家已將該項技術列為“八五”重點攻關和推廣項目。這將加快交流調速在我國的普及應用。目前國內變頻調速技術產業狀況如下：

（1）變頻器的控制策略的基礎研究與國外差距不大;

（2）變頻器的整體技術落后，國內雖有很多單位投入了一定的人力、物力、但由于力量分散， 并沒有形成一定的技術和生產規模;

（3）變頻器產品所用的半導體功率器件的制造業幾乎是空白;

（4）相關配套產業及行業落后;

（5）產銷量少，可靠性及工藝水平不高。

交流變頻調速技術在工業發達國已得到廣泛應用。美國有60%- 65%的發電量用于電機驅動，由于有效地利用了變頻調速技術，僅工業傳動用電就節約了15%一20%的電量。國外在高性能大容量交流電機傳動技術的研究和應用上遠遠走在我們前面，已有更高級別的高壓逆變器產品大量投入市場，并應用于電力機車、船艦電力推進、軋鋼、造紙及供水等系統中，交流電機變頻調速技術及其產品已成為一些工業發達國家的先導產業。目前，國外先進的工業國家生產直流傳動的裝置基本呈下降趨勢，而交流變頻調速裝置的生產大幅度上升。以日本為例，1975 年在調速領域，直流占80%，交流占20%; 1985 年交流占80%，直流占20%。到目前為止，日本除了個別的地方還繼續采用直流電機驅動外，幾乎所有的調速系統都采用交流變頻裝置。發達國家依靠他們強大的科技實力把變頻技術推向小型化、高可靠性、 抗公害、多功能、高性能等方向發展。

四、交流調速系統的發展趨勢

1、高性能化。產品將普遍采用矢量控制技術，提高調速性能，達到和超過直流調速系統水平。矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術，他的想法是設法模擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制。

2、全控型大功率快速電力電子器件的發展為現代化的變頻裝置提供物質保證。

交流電動機調速技術的發展是和電力電子技術的發展是分不開的，1957 年世界上出現了電力半導體器件的晶閘管，為交流電動機調速系統的發展開辟了道路。

3、脈寬調制技術的發展與應用使變頻裝置性能優化，可以適用于各類交流電機。

1964 年德國的 A.Schonung 等率先提出了脈寬調制變頻的思想，即把通訊系統的脈寬調制技術（簡稱PWM 技術） 應用于交流電氣傳動.PWM 型逆變器具有輸入功率因數高和輸出波形好的特點。

正炫波脈寬調制（SPWM）是最常用的一種調制方法，共調制脈沖的特點是在半周期內等距、等幅、不等寬，并且是中間寬兩邊窄，各脈沖面積之和與正弦波的下的面積成比例。新的脈寬調制（CNPWM）上把半個周期分成三等份，前60脈沖P與后60脈沖判斷調制方法同SPWM，但中間60 脈沖等于前面及后面脈沖之和，即Pz=P1+P，這樣變提高了開關頻率，成份也隨之降低。

4、控制系統硬件由模擬技術轉向數字技術，微型計算機在性能、速度、降格、體積等方面的發展為交流電動機調速理論的現實化提供了最重要的保證。

五、結語

交流調速技術的發展過程表明，現代工業生產及社會發展的需要推動了交流調速的飛速發展?，F代控制理論的發展和應用、電力電子技術的發展和應用、微機控制技術及神經網絡技術的發展和應用，為交流調速的飛速發展創造了技術和物質條件。交流調速系統在人類追求節約能源的道路上將發揮越來越重要的作用。