電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)研究

劉金龍

河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司大型軋鋼廠，河北邯鄲 056000

0 引言

電氣傳動(dòng)的概念是指，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后帶動(dòng)生活生產(chǎn)設(shè)備、交通工具等物品運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)于19世紀(jì)被創(chuàng)造出來(lái)，是人類生產(chǎn)史上的一項(xiàng)重要發(fā)明。由于其能較方便地分配和傳輸電能，電動(dòng)機(jī)的電能可方便控制，因此電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為大部分機(jī)械實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的主要方式，所以電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)為工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)歷了幾十年的研究，現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)已經(jīng)完成自動(dòng)化的蛻變過(guò)程，但是因?yàn)楝F(xiàn)代科技信息技術(shù)、智能化技術(shù)不斷發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨著一場(chǎng)前所未有的大改革，一些先進(jìn)技術(shù)，例如傳感技術(shù)、微電子技術(shù)以及電力電子技術(shù)等研究融入到了該領(lǐng)域，這三者負(fù)責(zé)推動(dòng)大電子體系進(jìn)行升級(jí)換代，最終有利于電氣傳動(dòng)技術(shù)跨入全信息化、智能化時(shí)代。

1 電氣傳動(dòng)控制的主要手段是數(shù)據(jù)通信與數(shù)字控制

機(jī)械控制是電氣傳動(dòng)最早采用的手段，在后來(lái)的發(fā)展中逐漸被電子控制與電氣控制替代。而且電子控制被采用頻率較高，主要有數(shù)字控制與模擬控制兩種。從20世紀(jì)70 年代開始，集成電路微處理器被大規(guī)模采用與商業(yè)領(lǐng)域，其具備成本低、耗能少、功能強(qiáng)大、較可靠等優(yōu)勢(shì)。它的采用將電子傳動(dòng)控制技術(shù)推上了一個(gè)新的臺(tái)階，正式把微處理器作為現(xiàn)代化電氣傳動(dòng)控制器的核心技術(shù)。當(dāng)前，最常用的微處理器有：數(shù)字信號(hào)處理器、精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)、單片機(jī)以及專用集成電路等，因此，計(jì)算機(jī)控制的傳動(dòng)設(shè)備，除了具備一般的數(shù)值計(jì)算功能以外，還存在數(shù)值運(yùn)算與邏輯判斷的作用外?？偟膩?lái)說(shuō)，在傳動(dòng)技術(shù)方面，數(shù)字控制與模擬控制比較有兩個(gè)較明顯的優(yōu)勢(shì)：1）數(shù)字控制器可以進(jìn)行模擬控制不能實(shí)現(xiàn)的相對(duì)比較復(fù)雜的控制措施；2）數(shù)字控制系統(tǒng)能夠自主完成故障診斷，實(shí)現(xiàn)故障診斷的智能化。

2 電力電子變換器成為物質(zhì)/能量流河信息流間的連接口

電力電子變換器作為物質(zhì)/能量流和信息流間的必需聯(lián)系紐帶，若是不存在電力電子的交換，就不可能存在弱電控制強(qiáng)電的接口，而信息根本不能轉(zhuǎn)化為可以用于技術(shù)控制的信號(hào)。現(xiàn)階段的電子電力傳動(dòng)技術(shù)正處于發(fā)展的高峰時(shí)期，許多新的電力電子變換技術(shù)與器件不斷地被創(chuàng)造出來(lái)。歸納起來(lái)，當(dāng)前的電力電子器件已經(jīng)經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：1）SCR；2）GTO與GTR；3）IGBT。但是現(xiàn)在的市場(chǎng)上供應(yīng)最廣泛的是IGBT，該器件的電流容量及電壓非常有限，通常只能供中、小容量而且低電壓的傳動(dòng)器使用。大容量而且高電壓的傳動(dòng)器，通常采用GTO。然而GTO運(yùn)行的可靠性不高，據(jù)此問(wèn)題，很多企業(yè)著手研制新型的高壓功率開關(guān)器件。目前成功研制出來(lái)的有：IGCT、IEGT和3300～6000V的IGBT等，這些器件足以供中壓及大容量的電氣傳動(dòng)使用。未來(lái)電力電子器的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、高頻化、集成化、改善封裝等，全部擬采用SIC等新材料。這一趨勢(shì)為電氣傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化以及信息化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 直流傳動(dòng)逐漸被可控的交流電氣傳動(dòng)逐步取代

實(shí)際中，先后發(fā)明了直流電氣傳動(dòng)與交流電氣傳動(dòng)。而在20世紀(jì)中，由于直流傳動(dòng)具備更加優(yōu)越的可控性，其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。性能高的可調(diào)節(jié)速度傳動(dòng)器通常都采用直流電機(jī)，而不變速的傳動(dòng)器多采用交流電機(jī)，者逐漸成為20世紀(jì)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的應(yīng)用格局。一直到20世紀(jì)70年代后期，因?yàn)楦咝У慕涣髯冾l傳動(dòng)技術(shù)被成功研發(fā)，又因?yàn)槠渚邆渲绷鱾鲃?dòng)所沒(méi)有的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，例如構(gòu)造比較簡(jiǎn)單、可控性高、效率高、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便等，直流傳動(dòng)逐漸被可控的交流電氣傳動(dòng)逐步取代了。目前主要是沿著3個(gè)趨勢(shì)發(fā)展：一是普通性能的節(jié)能調(diào)整速度用戶工藝調(diào)速；二是高性能的交流調(diào)速技術(shù)；三是極度高速與特大容量的交流傳動(dòng)。在國(guó)外，交流傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展得極為迅速，我國(guó)則處于初始階段。交流傳動(dòng)的節(jié)能效果相當(dāng)可觀，因?yàn)樵陔姎鈧鲃?dòng)的實(shí)際應(yīng)用中，泵、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)耗能大概為40%，而變頻調(diào)速僅為5%左右，因此在發(fā)展持續(xù)性的國(guó)民經(jīng)濟(jì)過(guò)程中，采用交流傳動(dòng)更加符合國(guó)情，需要進(jìn)一步推廣。

但是采用變頻調(diào)速技術(shù)的范圍增廣以后，還存在一些設(shè)計(jì)觀念上的問(wèn)題。過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，大多主要考慮起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，將其作為一個(gè)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。因?yàn)閱?dòng)電阻增加了，起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩也隨之增加。啟動(dòng)設(shè)備的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)切割，從而產(chǎn)生集膚反應(yīng)，將轉(zhuǎn)子的電流排出外繞組，這樣就增大了外繞組電阻，啟動(dòng)電阻也大，足以保障轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。由此一來(lái)，增大了轉(zhuǎn)子的尺碼，同時(shí)定子的尺碼也會(huì)增大，這相當(dāng)于增加了材料用量，重量也增加。采用了變頻調(diào)速，頻率發(fā)生從高到低的變化，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩當(dāng)然也會(huì)跟著變大。在此基礎(chǔ)上，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)就可以擺脫起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的許多限制，并依照新的要求或者按變頻調(diào)速的具體設(shè)計(jì)情況來(lái)進(jìn)行考慮。這樣不但能夠提升電動(dòng)機(jī)的效率，還能促進(jìn)電動(dòng)機(jī)向小型化發(fā)展。這就是目前電氣傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域以及信息科技領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我國(guó)的電氣傳動(dòng)技術(shù)也會(huì)隨著更加先進(jìn)、更加實(shí)用，朝著高信息化和高智能化的方向發(fā)展，而為了更好地管理電氣傳動(dòng)的各種技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)化的控制的管理技術(shù)將會(huì)廣泛應(yīng)用，為我國(guó)的工業(yè)發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

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