电机调速系统的发展265电机调速系统的发展权志勇(北方机电工业学校,河北张家口075021)摘要:本文阐述了电机调速系统的发展历史,主要介绍了PWM脉宽调速系统的发展及特色,并且介绍了相关电子器件的发展过程,用以说明PwM的优越性及优势地位关键词:直流电机调速系统控制一引言由于直流电动机具有优良的起制动性能,宜于在广泛范围内平滑调速,在轧钢机矿井卷机挖掘机金属切削机床造纸机高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用近年来交流调速系统发展很快,然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交流拖动系统的基础长期以来,由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统,因此,直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置变压调速是直流调速系统的主要方法,调节电枢供电电压我们用的可控直流电源采用静止可控整流器,以获得可调的直流电压二电机调速系统的发展厉史1957年,晶闸管问世,到了20世纪60年代,已产生出成套的晶闸管整流装置,使变流技术产生了根本性的变革,开始进人晶闸管年代到今天,晶闸管一电动机调速系统成为直流调速系统的主要形式V一M系统中V是晶闸管可控硅整流器它可以是单相三相或更多相数,半波全波半控全控等类型,通过调节触发器装置GT的开展电压来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压的Ud,从而实现平滑调速和旋转变流机组拖动变流装置相比,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高,而且在技术性能上也显示较大的优越性,晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上,其门极电流可以直接用晶体三极管来开展,不再像直流发电机那样需要较大功率的放大装置在开展作用的快速性方面,变流机组是秒级,而晶闸管整流器是毫秒级,这将会大大提高系统的动态性能直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用,调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压,是最经典的直流电机调速方法,在所串联电阻上有相当部分的电能消耗,很不经济在20世纪80年代,以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级高效节能而得到大力推广,但晶闸管斩波调速器的不足之处是晶闸管一旦被触发,其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现,换流电容和电感增加了装置的成本,也增加了换流损耗;电源电压下降还会导致换流作者简介:权志勇(1981一),男.河北科技师范学院本科毕业现为张家口北方机电工业学校机电专业的理论和实习教学指导教师266国土资源职教理论与实践失败,使系统的可靠性降低;此外,由于晶闸管的开关时间比较长,加上存在换流环节,使得斩波器的工柞频率不能太高(一般在30oHz以下),使得电机土的力矩脉动和电流脉动比较严重,因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件于是在20世纪90年代出现了以IGBT为代表,具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案三PWM脉宽调速系琉的发展直流电机脉冲宽度调制(PulseWidthModwtated一简称PWM)调速系统产生于20世纪70年代中期,最早用于不可逆小功率驱动,例如自动跟踪天文望远镜自动记录仪表等近十多年来,由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展,同时又因出现了宽调速永磁直流电机,它们之间的结合促使PWM技术的高速发展,并使电气驱动技术推进到一个新的高度在国外,PwM最早是在军事工业以及空问技术中应用它以优越的性能,满足那些高速度高精度随动跟踪系统的需求近八九年来,进一步扩散到民用工业,特别是在机床行业自动生产线及机器人等领域中广泛应用可以这样说,20世纪60年代中期发展起来的晶体管OTL电路OCL电路,特别是桥型无变压器输出的BTL电路,为PWM系统的发展奠定了电路基础,而各种先进的功率器件(如GTR,IGBT模块等)及宽调速直流电机的出现,更为PWM技术的应用提供了良好的条件PWM系统的特点:(1)开关损耗小,变流器效率高(2)系统主回路电源是经过整流及大容量电容器虑波后供电,因而不会因电网电压波形的失真而影响调节质量(3)以l~skHz的高频脉冲电流给电机的电枢供电,由于是感性负载,脉冲电流得以滤平,所以波形系数小,电机发热量小,可以减小机械变形,从而能提高工作机械的精度也正是由于波形系数小,电机利用率高,从相同发热量的角度考虑,PWM系统获得可以比SCR系统高1.3~1.8倍的转矩,因此PWM系统可以选用较小容量的电机,特别是工作在正反转频繁的伺服系统中,其优点尤为突出(4)系统的响应频带很宽,可达到100~200Hz以上因此起制动非常快,而且超调量小,可以大大提高高冲击率机械的生产效率(5)因系统采样频率高,频带宽,所以抗负载扰动的性能好,动态速度下降小,恢复时间快,因此动态硬度好,加工零件表面光洁度高(6)同样由于采样频率高,避开了电机及传动机械的共振点,所以运动平稳,这也是提高加工光洁度的一个有利因素(7)PWM系统很容易地实现四象限运行当用于Zkw以下的电机时,在再生制动的情况下,再生的能量可储存在功率电容器中,Zkw以上的电机,再采用特殊电子线路,让能量馈送到再生负载电阻上去,以加快制动过程,并防止电子元件因过压而造成损坏(8)PWM系统调速范围宽,最低速度可达到l转/24h这特别适用于自动记录系统例如地震监测站的地磁变化曲线的记录等而在机床伺服驱动系统中应用时,1转/min即够用PWM系统的最低速度实际取决于速度调节器的零点飘移量速度给定电压的精度与分辩率以及测速电机的纹波系数和电动机的波动力矩等从PWM伺服单元本身看,其潜力是很大的(9)有于PWM本身性能的优越,因此不必像SCR系统那样,为了提高系统性能而费尽心机,添加了许多环节,增加了系统的复杂性例如各种滤波环节电抗器之类的惯性环节电流自适应环节以及函数发生器环节等使驱动系统的结构更加简单可靠,调整与维护都十分方便同时对各种参数不同的直流电机均有很好的适应性电机调速系统的发展267叨相关电子教件的发展直流调速系统的发展伴随着相关器件的发展,尤其是构成其周围驱动的电力电子器件电力电午器件的发展经历了晶闸管(SCR)可关断晶闸管(Gr())晶体管(BJT)绝缘栅晶体管(IGBT)等阶段,目前正向着大容量高频率易驱动低损耗模块化复合化方向发展,与其他电力电子器件相比,璐BT具有高可靠性驱动简单保护容易不用缓冲电路和开关频率高等特点,为了达到这些高性能,采用了许多用于集成电路的工艺技术,如外延技术离子注人精细光刻等要提高功率MOSFET的耐压能力,势必增加高导通电阻,从而妨碍器件在高电压大电流范围的应用针对这些缺陷,20世纪80年代诞生了功率GBIT(绝缘栅双极晶体管)器件,2世纪9年代初进人实用化近几年来,功率IGBT的性能提高很气额定电流已达数百安培,耐压达150ov以卜,而且还在不断提高由于l(;BT器件具有PIN二极管的淤向特性,P沟功率IGBT的特性不比N沟IGBT差多少,这非常有利于在应用中采取互补结构,从而扩大其在交流和数字控制技术领域中的应用目前,应用在中压大功率领域的电力电子器件,已形成GTOIGCTOGBTIEGT相互竞争不断创新的技术市场,在大功率(1MW)低频率(IkHz)的传动领域,如电力牵引机车领域GTOIGCT有着独特的优势,而在高载波频率高斩波频率下,IGBTIEGf有着广阔的发展前景,在现阶段中压大功率变频领域将由这4种电力电子器件构成其主流器件IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击它的并联不成问题,由于本身的关断延迟很短,其串联也容易尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛,但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题,其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度,由于IGBT高频性能的改进,可将驱动电路保护电路和故障诊断电路集成在一起,制成智能功率模块,一般情况下采用电压触发通过采用大规模集成电路的精细制作工艺并对器件的少数载流子寿命进行控制,新一代功率IGBT芯片已问世第三代IGBT与第一代产品相比,在断态下降时间及饱和电压特性上均有较大的提高IGBT是双极型晶体管(BJT)和MOSFET的复合器件,其将田T的电导调制效应引人到VDMOS的高阻漂移区,大大改善了器件的导通性,同时它还具有MOSFET的栅极高输人阻抗,为电压驱动器件开通和关断时均具有较宽的安全工作区,IGBT所能应用的范围基本_L替代了传统的晶闸管(SCR)可关断晶闸管(GTO)晶体管(BJT)等器件五结束语近年来交流调速系统发展很快,然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交流拖动系统的基础,直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统因此,直流调速系统在很长一段时间内在调速系统领域内仍将占重要位置