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    电动扫路车电动机的速度控制实现方式

      发表时间:2019-04-21 13:37  点击次数:

    现代电动扫路车生产中有两种情况需要实现电机的速度控制:
    1.满足运行及生产工艺要求
    可以用车床、电动车辆、轧钢机如何为满足生产丁艺要求而实施电机的控制为例来说明。
    对于车床来说,毛坯粗加丁时,要求丁件旋转慢、切削量大,需控制主轴电机运行在低速、 大转矩状态;成品精加时要求T件旋转快、切削量小,需控制主轴电机运行在高速、小转矩状 态。可以看出这两种加丁工况分别提出了对电机实施转速、转矩控制的不同要求。
    对于电动扫路车(车辆电驱动)面言,上坡吋要求运行在低速、大转矩(恒转矩)状态,下坡吋 实行动能回馈形式的再生制动(非机械抱闸形式的摩擦能耗制动);平路飞驰时要求高速、小转 矩的恒功率运行,防止过载以保护机电装置的运行安全。可以看出这些驱动下况分别提出了 对电机实施电动/发电、恒转矩/恒功率的多状态运行控制要求。
    对于轧钢机这类高性能机电控制系统来说,为确保钢材金属结晶结构均匀,要求稳态运行 时稳速精度高;为减少结晶不均匀的钢材损耗,提高生产效率,要求电机转矩动态响应速度快, 使“咬钢”时的动态速降小,恢复时间短,钢材不合格部分裁切量少。为适应钢材的往返轧制需 要,要求驱动电机能作正/反转、电动/制动的四象限可逆运行。可以看出这一类高性能机电运 动控制系统已对电机提出了转矩的动态控制和四象限可逆运行的高要求。
    电动扫路车电动机的速度控制实现方式
    2.实现调速节能
    采用速度调节方法实现节能降耗已是当前电机控制技术中的重要功能和应用方式,特别 是通过速度控制实现风机、水泵的流量调节,可以获得巨大的运行节能效果。过去拖动风机、 水泵的电机常作恒速运行,使输人风机、水泵的功率恒为额定值,而输出流量大小是通过设置 档风板或调节阀门幵度来调节,这使得在档板、阀门上产生大量能耗,故是一种耗能的流量调 节方式。如果去除风道上的档板或管道内的阀门,尽可能地减小了管道阻力及相应损耗,而通 过调节拖动电机的转速来调节流量,这可使转速下降时电机的输入功率随转速的立方关系减 小,从而可获得高达20%〜30%的节能效果。这是一种通过电机控制技术改变运行方式来获 得节能的范例。
    按照电动扫路车电机类型的不同,电机的速度控制可区分为直流调速和交流调速两大类。
    直流调速即对直流电动机的速度实施控制。由于直流电动机中产生转矩的两个要素—— 电枢电流和励磁磁通相互没有耦合,并可通过相应电流分别控制,因此直流电动机调速时易获 得良好的控制性能及快速的动态响应,在变速传动领域中过去一直占据主导地位。然而由于 直流电机需要设置机械式换向器和电刷,使得直流调速存在固有的结构性缺陷:
    (1)机械换向器结构复杂、成本增加,同时机械强度低,电刷容易磨损,需要经常维护,影响 运行可靠性。
    (2 )运行中电刷易产生火花,限制了使用场合,不能用于化丁企业、矿山、炼油厂等有粉尘、 腐蚀、易燃物质或气体的恶劣环境。
    (3)由于存在换向问题,难以制造成大容量、高转速及高电压直流电机,其极限容量与转速 乘积限制在10SkW • r/min,使得目前3000r/min左右的高速直流电动机最大容量只能达 (400〜500)kW ;低速直流电动机也只能做到几千千瓦,远远不能适应现代丁业生产向高速大 容量化发展的需要。
    交流调速即对交流电动机的速度实施控制。交流电机,尤其是笼型异步电动机,由于结构 简单、制造方便、造价低廉,坚冏耐用、无需维护、运行可靠,更可用于恶劣的环境之中,特别是 能做成高速大容量,其极限容量与转速乘积高达(400〜600)Xl(yjkW • r/min,因此在T.农业 生产中得到了极为广泛的应用。但是交流电动机调速、控制比较闲难,这是由于同步电动机的 气隙磁场由电枢电流和励磁电流共同产生,其磁通值不仅决定于这两个电流的大小,还与丁作 状态有关;异步电动机则因电枢与励磁同在一个绕组中实现,两者间存在强烈的耦合,不能简 单地通过控制电枢电压或电流来准确控制气隙磁通进而控制电磁转矩,因而不能有效地实现 电机的运动控制。
    交流电机调速原理早在20世纪30年代就进行深入的研究,但一直受实现技术或手段的 限制而进展缓慢。早期传统的交流调速多采用电磁装置和水银整流器或闸流管等原始变流元 器件来实现,最早是绕线式异步电动机转子串电阻调速,在吊车、卷扬机等设备中得到较为广 泛的应用,但采用这种方法调速吋会在电阻上耗费大量的电能,运行效率低下。20世纪50年 代发展了异步电机定子串饱和电抗器实现调压调速的简单方法,但仍有转子损耗引起严重发 热问题。笼型转子异步电机变极调速是一种高效的调速方法,但速度变化有级,应用范围受到 限制。为了提高绕线式异步电机转子串电阻调速的运行效率,20世纪30年代就提出了串级 调速的思想。这种方法把原本消耗在外接电阻上的转子滑差功率引出,经整流变为直流电能
    供给同轴联接的直流电动机,使这部分能量变为机械功加以利用。交流电机变频调速是一种 理想调速方法,早在20世纪20年代对此就有明确认识:既能在宽广的速度范围内实现无级调 速,也不会在调速过程中使运行效率下降,更可获得良好的起动运行特性。但由于当时采用的 水银整流器和闸流管性能不理想而未能推广使用;采用旋转变流机作变频供电也因技术性能 不如直流调速而未能推广使用。
    2〇世纪50年代中期世界上第一只晶闸管研制成功,开创了电力电子技术发展的新时代。 从此“电子”进人强电领域,电力电子器件成为弱电控制强电的桥梁与纽带,使得电能的变换、 利用更加方便和高效,大大地促进了电机调速与控制技术的飞速发展。首先电力电子技术的 应用使直流电机调速系统摆脱了以往笨重的电动一发电机组供电形式,进步到了采用可控整 流器的简洁供电方式,加上线性集成电路、运算放大器的应用和调节器的优化,现代直流调速 技术的静、动态性能获得了很大的提高。与此同时,交流电机调速技术的发展也获得了一次飞 跃,尤其是20世纪70年代中期世界范围内出现了能源危机,节约能源成了人们普遍的共识。 作为节约电能的重要手段,交流电机调速引起了人们的重视,尤其是拖动风机、水泵、压缩机的 交流电机实施以调速来调节流量的运行方式改造后,产生了巨大的节能效果,更为有力地推动 了交流调速技术本身的快速发展。
    交流电机调速方法众多,技术手段各异,但可从电机运行原理的角度予以合理分类。
    对于异步电机面言,根据电机原理,从定子通过气隙传人转子的电磁功率外可以分为两 部分:一部分是轴上的机械功率A = (1 — S) Pm,这是拖动负载做功的有效功率;另一部分是 转子绕组内的滑差功率ft = ,它与转差S的大小成正比。我们可以按照调速过程滑差功 率是否增大、真实消耗还是得以回收来划分调速类型。
    (1 )滑差功率消耗型。调速过程中全部滑差功率均转换成热能形式,不可逆地被消耗掉, 而且消耗越多调速范围越宽,当然运行效率将越低。常见的调压调速、绕线式异步电机转子串 电阻调速、电磁滑差离合器(电磁调速电机)就属于这种调速类型。值得指出的是尽管滑差功 率消耗型调速时耗能,但在风机、水泵采用调速调流量方式吋仍有相当大的节能效果。这是因 为离心式风机、水泵的输人功率是转速的三次方关系,随减小流量而降低转速时电机的输人功 率大大减小,抵消掉因调速引起的能耗后仍有近20%的节能潜力,十分可观。
    (2) 滑差功率回馈型。调速时滑差功率的一部分被消耗掉,大部分可通过变流装置返回电 网或转化为机械功被利用,以此维持较高的运行效率。绕线式异步电机串级调速就是属于此 类调速方式。
    (3) 滑差功率不变型。这种方法主要是通过改变同步转速实现调速,滑差功率消耗水平保 持不变,因而是一种真正意义上的高效调速方式,变频调速、变极调速就是具体的方法。变频 调速更是交流电机的主要调速方式,以此为基础可以构成许多高性能的交流调速系统。
    对于电动扫路车同步电机而言,由于转子速度与旋转磁场速度严格同步而不存在滑差,故其调速类型 只能是滑差功率不变型,即为ft = 0的调速方式,加上同步电机转子极对数固定而无法采用 变极调速,因而变频调速是其唯一可行的调速方法。按照变频器频率指令的来源,同步电机变 频调速系统可区分为它控式及自控式两种,其中自控式同步电机变频调速系统又称无换向器 电机,与它控式相比最大优点是电机木身的转速控制了变频器的供电频率,使转子与旋转磁场 永远保持同步旋转关系,没有失步问题。
    交流电机调速技术的发展总是与电力电子技术和微机控制技术的进步紧密联系,电力电 子器件和微机构成了交流调速系统的物质基础。电力电子器件的作用更为关键,可以说新一 代的器件带来了新一代的变换器,又推动了新一代交流调速系统的形成和发展。
    2〇世纪60年代初,中、小型异步电机多采晶闸管调压调速或采用晶闸管可控整流的电磁 滑差离合器,取代了传统的饱和电抗器调速;而在中、大容量绕线式异步电机中,多采用晶闸管 串级调速装置代替早先机组式串级调速系统,并广泛应用于风机、水泵的调速节能改造。至于 变频调速,由于作为第一代电力电子器件的晶闸管没有自关断能力,由它构成的逆变器需要有 附加的换流措施,由此产生了儿种晶闸管的变频调速装置。最简单的是利用电机反电势换流 的自控式同步电机变频调速系统(无换向器电机),这种调速电机在20世纪70年代就得到了 迅速的推广,现在最大单机容量已超过lX105kW。由于异步电机的输入电流相位总是滞后 于端电压,不能利用其反电势帮助逆变器中晶闸管实现换流,必须采用电容强迫换流,使得其 变频调速系统电路结构一般比较复杂。这一时期还较多地发展了供单台异步电机变频调速用 的串联二极管式电流源型逆变器,供多台异步电机协同调速运行的串联电感式及带辅助换流 晶闸管式的电压源型逆变器,还有利用电网电压自然换流、适合于低速大容量调速传动的交一 交变频器(循环换流器)。这些晶闸管逆变器的输出电流或电压波形通常是矩形波、阶梯波或 正弦波拼块,除了基波外还含有较大的谐波成分,会对电机、电网产生严重的谐波负面效应。 特别是其中的5次、7次等低次谐波会在异步电机中引起转矩脉动、振动噪声、损耗发热、效率 及功率因数下降等不良影响。这些都是由于所采用的晶闸管器件幵关频率太低所致,因此必 须从提高开关频率、优化输出波形着手来解决,此时电力电子器件成为了关键。
    2〇世纪50年代出现的晶闸管只是一种可控制导通但不能控制关断的半控器件,幵关频 率又低,但它的通态压降小,可以做成高压大容量,因而在大功率(>1M W )、高电压(>10kV ) 的交流调速装置中仍有不可替代的地位。20世纪70年代后,各种具有自关断能力的高频自 关断器件随着调速节能技术的发展应运而生,主要有电流控制型的大功率晶体管GTR、门极 可关断晶闸管GT0、电压控制型的功率M0S场效应晶体管Power M0SFET、绝缘栅双极型 晶体管IGBT、M0S控制晶闸管MCT等。由于电压控制(场控)型器件的驱动远比电流控制 型简单、方便,因而更具发展前景。这些器件的开关频率和电压、电流容量均已达到相当高水 平,在产品中已获得了广泛应用。它们的幵关频率和电压、电流容量简列如下:
    GTO 8000V/10000A,开关频率 1kHz ;
    GTR 1200V/800A,幵关频率(2〜4)kHz ;
    Power MOSFET 2000V/250A,开关频率>100kHz ;
    IGBT 3300V /1800A,开关频率 20kHz ;
    MCT 2500V/1000A,幵关频率 1kHz。
    2〇世纪80年代以后,又出现了新的一代电力电子器件——功率集成电路PIC,它集成功 率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体,发展成了智能化的电力电子模块器件,目 前广泛应用于交流调速中的智能功率模块IPM就是采用IGBT作功率开关器件,把集成电流 传感器、驱动电路及过载、短路、过热、欠压等保护电路于一体,简化了接线,减小了体积,实现 信号处理、故障诊断、驱动保护等功能,方便了使用,提高了可靠性,是电力电子器件今后发展 的方向。
    随着高频自关断器件的应用,进一步推动了交流调速中的变流技术和控制策略的发展。 首先是脉宽调制(PWM)技术的成熟和应用。脉冲宽度按正弦规律变化的SPWM显著地降低 了逆变器输出电压中的低次谐波,使电机运行时的转矩脉动大为减小,动态响应加快。由于脉 宽调制逆变器把变频与调压结合在一起,输人直流电压无需调节,电源侧可以简单地采用二极 管不控整流,从而显著提高了调速系统输入侧功率因数。所用自关断器件幵关频率的提高又 使逆变器输出谐波次数升高、谐波幅值减小,有效地抑制了输出电力谐波对电机的影响,因而 使SPWM调制技术在中、小型异步电机变频调速中获得了极为广泛的使用。
    从电机原理可知,要使交流电机具备优良的运行性能,首先要向电机提供三相平衡的正弦 交流电压,当它作用在三相对称的交流电机绕组中吋,就能产生三相平衡的正弦交流电流。若 交流电机磁路对称、线性,就能在定、转子气隙中建立单一转向的圆形旋转磁场,使电机获得平 稳的转矩、均匀的转速和优良的运行特性,这在大电网供电下自然是能得到满足,但在变频器 幵关方式供电下就有一个发展过程。正弦脉宽调制SPWM追求的是给电机提供一个频率可 变的三相正弦电压,并未关心电机绕组内的电流和电机气隙中的旋转磁场。另一种电流跟踪 型脉宽调制方式则是避开电压的正弦性,直接追求在电机三相绕组中产生频率可变的对称正 弦电流,这比只考虑电压波形进了一步。电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型电压源逆变 器,兼有电压和电流控制逆变器的特点,其中滞环控制电流跟踪PWM更因电流动态响应快、 实现方便而受到重视。为了追求采用逆变器开关切换能在电机内部生成圆形磁场的效果,近 期又研究出磁链跟踪型脉宽调制技术。它将逆变器与交流电机作为一个整体来考虑,通过对 逆变器幵关模式的控制,形成不同的三相电压组合(电压空间矢量),使其产生的实际磁通尽可 能地逼近理想的圆形磁通轨迹——理想磁链圆,从而使变频器的性能达到一个更高水平。这 种方法采用三相统一处理的电压空间矢量来决定逆变器的幵关状态,形成SVPWM波形,操 作简单方便,易于实现全数字控制,已呈现取代传统SPWM的趋势。
    由于交流电机定、转子各相绕组之间的耦合紧密,形成了一个复杂的非线性系统,使其转 矩与电流不成正比,瞬时转矩控制闲难,导致交流电机调速系统的动态性能不如直流调速系统 优良。为了有效地控制交流电机的转矩,改善交流调速系统的动态性能,1973年德国F .Bias-chke提出了矢量变换控制方法,它以坐标变换理论为基础,参照直流电机中磁场(励磁电流) 与产生电磁转矩的电枢电流在空间相互垂直、没有耦合、可分别控制的特点,把交流电机的三 相定子电流(电流空间矢量)经坐标旋转变换,也分解成磁化电流分量和与之垂直的转矩电流 分量,通过控制定子电流矢量在旋转坐标系中的位置和大小,实现对两个分量的分别控制,也 就实现了对磁场和转矩的解耦控制,达到与直流电机一样有效地控制电机瞬时转矩的目的,使 之具有较好的动态特性。
    矢量控制方法的采用使交流电机调速系统的转矩动态性能得到了显著的改善,开创了用 交流调速系统取代直流调速系统的新时代,这无疑是交流传动控制理论上的一个质的飞跃。 但是经典的矢量控制方法要进行坐标变换,比较复杂;而异步电机矢量控制时坐标轴线需要以 转子磁链来定向,其计算比较繁琐,精度常受转子参数变化的影响,造成矢量变换控制系统的 控制精度随运行状态变化,达不到理想效果,对此各国学者又相继提出了不少新的控制策略, 如转差矢量控制、标量解耦控制、直接转矩控制等。这些新的控制方法又进一步改进了交流电 机的控制性能,使得现代高性能交流调速系统的动态性能已完全能达到甚至超过直流电机调
    速系统的水平。
    电动扫路车高性能的控制策略涉及复杂的变换关系和实时数学运算,这又促进了微机数字控制技术 在交、直流调速传动中的应用和发展。众所周知,常用的电子控制方式有采用模拟电子电路的 模拟控制和采用数字电子电路的数字控制。在20世纪70年代之前,交、直流调速系统多采用 模拟控制方式,由众多的线性运算放大器、二极管、三极管等模拟器件构成控制器。这种控制 装置体积大、可靠性差,特别是存在温度漂移对器件参数的影响而稳定性差,又难于实现信息 存储、逻辑判断,复杂的数学运算控制(如矢量变换控制)几乎无法实现。随着数字电路、微机 技术的发展,采用计算机软件实现各种规律控制已成可能。大规模集成电路技术的成熟出现 了微处理器、微控制器,使得电机的电子控制步人了一个崭新的数字化阶段。当前,以单片机 为主体的微型计算机已成为调速系统数字控制的核心,展现出十分优越的控制性能:
    (1)数字控制器硬件标准、简洁,成本低,可靠性高;
    (2 )数字控制实现灵活,功能齐全,可以按需编写、更换软件,具有最大的柔性;
    (3)可实现复杂的逻辑判断、数字运算,使得新型、复杂的控制策略能得以实现。
    与模拟控制相比数字控制实吋性较差,模拟量数字化时引入的量化误差影响控制精度和 平稳性,但随着微机运算速度和字长的提高这些障碍将得到克服。目前广泛采用的微处理器 主要类型有美国INTEL公司的MCS—51系列的八位单片机、MCS—96系列的16位单片机, 美国TEXAS公司的TMS320系列的16位、TMS28XX系列32位数字信号处理器(DSP)等, 它们的应用和进步大幅度地提高了调速系统的控制性能。

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