電氣傳動技術的發展及展望

蘇勇

（遼寧省阜新市清源污水處理有限公司，遼寧 阜新 123000）

電氣傳動關鍵部件是電動機，電動機的性能、結構、控制方式、電動機轉速的控制是人們在不斷研究和探索的對象。通過幾十年的研究，電動機的控制已經實現了自動化，隨著信息化、智能化技術的推進，電氣傳動技術正面臨著一場技術的革命。把微電子技術、電力電子技術、傳感技術融入到電氣傳動的領域，這三者構成“大電子體系”，只有這樣的大電子體系，才能帶動、改造傳動產業升級換代。這樣的融入把物料流、能源流、信息流三者匯流在一起，形成當代的智能化、信息化傳動系統。

1 數字控制和數據通信成為電氣傳動控制的主要手段

最早的自動控制手段是機械控制，后來逐步讓位于電氣控制和電子控制。近代的電氣傳動控制手段中，電子控制占了很大的比例，常用的電子控制方法有兩種：模擬控制和數字控制。自20世紀70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強、可靠性高的大規模集成電路微處理器已經商品化，把電子控制推上了一個嶄新的階段，以微處理器為核心的數字控制成為現代電氣傳動系統控制器的主要形式。目前，常用的微處理器有：單片機（SCP）、數字信號處理器（DSP）、精簡指令集計算機（RISC）和包含微處理器的高級專用集成電路（ASIC）。

由于計算機除一般的計算功能外，還具有邏輯判斷和數值運算的能力，因此數字控制和模擬控制相比有兩個突出的優點：（1）數字控制器能夠實現模擬控制無法實現的各種比較復雜的控制策略，（2）數字控制系統能夠完成故障的自診斷，提高診斷過程的智能化。在模擬控制過程中，為了使系統的穩定性提高，往往采用閉環控制，使用比例積分調節器。當系統突然受到干擾作用時，輸出量發生變化，通過負反饋，在比例積分調節器的作用下，使得系統的輸出量回到原來的數值。只要偏差存在，比例、積分兩部分就同時起作用。在過渡過程中，會使輸出量出現超調現象，系統會出現振蕩現象，若比例作用太強，會影響系統的正常工作。在采用微機數字控制時，可以將比例、積分作用分離開。當偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差。當偏差低到一定程度后，再將積分投入，以最終消除穩態誤差。這樣兩種作用各得其所，避免了相互之間的矛盾，提高了系統的控制性能。

2 電力電子變換器是信息流與物質/能量流之間必需的接口

電力電子技術是信息流與物質/能量流之間的重要紐帶，如果沒有電力電子變換，沒有弱電控制強電的接口，則信息始終就是信息，不可能真正用來控制物質生產。現在，電力電子技術的發展正處于壯年期，新的電力電子器件和變換技術仍在不斷涌現出來。電力電子器件的發展已經經歷過三個平臺：晶閘管（SCR）,(2)GTR 和 GTO，（3）IGBT。目前，市場上能夠廣泛供應的IGBT其電壓和電流容量有限，一般只夠中、小容量的低壓電氣傳動使用。容量再大時，還得采用GTO，而GTO的可靠性總是不能令人滿意的。于是世界上很多電力電子企業和研究所都在努力開發新型的高壓功率開關器件，已經問世的有IGCT，IEGT以及3300-6000V的IGBT等。可供中壓、大容量電氣傳動使用。電力電子器件的進一步發展方向是；模塊化和集成化、高頻化、改善封裝、采用新材料（如SiC）等。為電氣傳動的信息化、智能化的控制提供了重要基礎和保障。在電力電子變換器中，用于控制直流電機的主要是由全控器件組成的斬波器或PWM變換器，以及晶閘管相控整流器。用于控制交流電機的主要是變壓變頻器，其中中、小容量的多為PWM變換器。

隨著電力電子變換器的日益普及，諧波和無功電流給供電網造成的“電力公害”越來越值得重視。解決的方法是（1）采用有源濾波和無功補償，（2）開發“綠色”電力電子變換器，這種方法要求功率因數可控，各次諧波分量小于國際和國家標準允許的限度，顯然這是一種治本的最好辦法。目前已經應用的綠色變換器有：雙PWM交-直-交變換器、多單元串聯的中壓變換器、多電平中壓變換器等。受到普遍重視還在開發的有：交-交矩陣式變換器，它具有輸入電流和輸出電壓都接近正弦波、能量傳輸可逆、可省去直流濾波電容等優點。

3 可控交流電氣傳動逐步取代直流傳動

直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。在20世紀大部分年代里，鑒于直流傳動具有優越的可控性能，高性能可調速傳動一般都用直流電機，而約占電氣傳動總容量80%的不變速傳動則采用交流電機，這種分工在當時已經成為舉世公認的格局。直到20世紀70年代，由于采用電力電子交換器的高效交流變頻傳動開發成功，結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、效率高、轉動慣量小的交流籠型電機進入了可調速領域，一直被認為天經地義的交直流傳動按調速分動的格局終于被打破了。此后，交流調控傳動主要沿著下述三個方向發展和應用：（1）一般性能的節能調速和工藝調速，（2）高性能交流調速系統，（3）特大容量、極高轉速的交流傳動。

交流調速在國內外發展十分迅速，交流傳動中一般采用交-直-交變頻。變頻調速就是把50Hz的交流電源變成直流電，再把直流電逆變不同頻率的交流電，電動機的轉速將由變換后的電源頻率來控制的調速的方法。

國民經濟要可持續發展，就必須節約能量。采用變頻調速以后，節約電能的效果是相當可觀的，在實際的電氣傳動中，應用于風機、泵、壓縮機的電動機大約占40%，而實際應用變頻調速的只占5%左右。交流變頻調速還有待進一步推廣應用。

采用變頻調速以后，還帶來一些設計觀念上的變化，我們過去長期以來設計制造電動機的時候主要考慮起動轉矩，把起動轉矩大當作一個基本出發點。鑒于增加啟動電阻就增大了起動轉矩，異步電動機定子常采用雙籠或深槽結構。在啟動的時候，磁場對轉子強切割，產生的集膚效應，把轉子電流排到外繞組中，外繞組電阻就很大，這樣啟動電阻就大，以保證足夠的起動轉矩。這么一來，轉子尺寸加大了，不光是轉子加大，定子也會加大，等于是材料要多了，重量增加了。有了變頻調速后，隨頻率從低到高的變化，電機的啟動轉矩自然會變得比較大。這樣一來，在電機設計制造思想上，可以擺脫啟動轉矩的限制，按照新的或者說按變頻調速的工況來重新考慮，既可以使電機效率提高，還可以使電動機小型化，這是我們走變頻專用機高效的一條重要思路。這和為提高電動機效率而必須使用更多銅、特材料的設計思路是不一樣的。

隨著信息化、智能化技術的不斷發展。電氣傳動技術將向著網絡化控制與管理的方向邁進。

[1]《電氣傳動自動化》

[2]《工業電氣自動化》