国内研究交流电机现状论文

1变频调速系统的发展现状与前景展望 1 前言 当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。 能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%-55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代中期），中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh，是国际先进水平的1.27倍。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。 目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。 2 全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS - 96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI公司推出的MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。 在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。 3 PWM技术 PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。 4 高压大容量交流调速系统 在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。目前，研究较多的大功率逆变电路有：（1）多电平电压型逆变器（2）变压器耦合的多脉冲逆变器（3）交交变频器（4）双馈交流变频调速系统。（1）多电平电压型逆变器 日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式（Neutral Point Clamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：1. 更适合大容量、高电压的场合。2.可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。3.电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/（M-1）。4. 效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。（2）变压器耦合的多脉冲逆变器 变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：1. 不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制；2. 模块化程度好，维修方便；3. 对相同电平数而言，所需器件数目最少；4. 无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波；5. 控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。（3）交交变频器 交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达5000V/5000A），适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。（4）双馈交流变频调速系统 双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。 5 高性能交流调速系统 V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。 考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究：（1）磁通的准确估计或观测（2）无速度传感器的控制方法（3）电机参数的在线辨识（4）极低转速包括零速下的电机控制（5）电压重构与死区补偿策略（6）多电平逆变器的高性能控制策略 6 展望 在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度 2 我国低压电器市场分析报告及预测 概述 低压电器是用于交流电压至1200V，直流电压至1500V的电路中起通断、控制或保护等作用的电器。低压电器是电器工业的重要组成部分，在机械行业中是基础配套件，在配电系统中低压成套开关设备主要由各种低压电器元件构成，低压电器元件的功能及性能对低压成套开关设备起着至关重要的作用。发电设备所发出电能的 80％以上是通过低压电器分配使用的。每增加 1万kW发电设备，约需4万件左右的各类低压电器元件与之配套。在工业自动化系统中，也需要由低压电器构成的各种控制屏、控制台、控制器等。 我国低压电器工业自1949年后，在一些修理、装配简单电器工厂的基础上逐步发展成能独立设计、生产的行业，到1979年共有生产企业 600多家，总产量3053万台，产值12.1亿元。经过1985～1986年、1990～1991年两个发展高峰，1995年低压电器行业已有生产企业约2000家，年产值80亿元（其中机床电器约15～20亿元），年产5亿台件各类低压电器产品。 低压电器行业发展现状 从可查资料显示：1998年低压电器行业工业总产值（当年价）为53.2亿元，工业增加值为9.1亿元，产品销售收入为48.6亿元，利润为2.5亿元，出非法信息货值3.4亿元，全年职工平均人数为 45，057人，平均利润率为5.2％，平均人均销售收入10.8万元，平均流动资产周转率1.14次。 目前我国低压电器制造企业主要集中在北京、天津、辽宁、上海、江苏、浙江、广东等地，在促进国民经济发展的同时，也暴露出许多问题。主要有以下两点： 1．企业规模偏小，且数量过多。目前我国低压电器生产企业中，年销售收入和总资产均在 5亿元以上的大型企业只有2～4家，绝大多数都是中小企业，导致企业缺乏规模经济和竞争力；而且，我国低压电器生产企业由建国初期的600多家，发展到现今的2000多家，企业数量过多，导致经济资源过于分散，缺乏效率。 2．区域结构趋同，重复建设严重。我国低压电器行业由于盲目上项目、铺摊子，地区产业趋同化现象严重，低水平重复建设，造成产品生产过剩、能源、原材料利用率低、经济效益低下以及地区保护、恶性竞争等后果。 我国低压电器市场预测 1．市场容量的预测。低压电器的市场容量与电力事业的发展是紧密相连的。据测算2001－ 2005全国发电量增幅在4％左右，2008－2010年在4．5％左右；在10年内电力弹性系数平均为0．6左右。这样，2001－2005年全国每年需增发电量 680－770亿kW．h。2006一2010年每年均增发电量660一770亿kW．h，按照1997年全国电力机组平均每年运行13．1h是比较合理的话，2001－ 2010年每年均新增装机容量为21GW左右。按照经验配套比计算，每年需要低压框架式断路器约 48万台，塑壳式断路器482万台，其他各类低压电器产品的需要量也是很可观的。 我国低压电器产品出口东南亚国家的数量比较大，由于国家对机电产品出口的重视、扶持及鼓励，东南亚金融危机的好转都有利于低压电器的出口。 总之，可以预见我国低压电器市场容量会稳步增长，前景是乐观的。 2．产品市场走向。根据国家政策走向，在今后一段时期内低压电器产品结构还进一步调整。工艺落后、体积大、能耗高又污染环境的产品格被淘汰，而智能化、机电一体化的产品市场将会不断扩大。 低压电器市场竞争分析 1．市场竞争的特点：我国低压电器制造业面临着供大于求的严峻形势。由于电力、石化、建筑等产业的大发展，给低压电器制造业的大发展提供了很好的机遇，但是企业数量增加太多，再加上国外一些电器公司面对着中国这个巨大的市场也一涌而上，更加剧了竞争的激烈程度。 第一，市场很大，国内低压电器制造企业数量太多，国外一些公司已进入国内市场，竞争非常激烈。 第二，竞争并不平等，质优未必市场优。我国正处于经济体制转轨过程中，各种不平等竞争现象存在于供销环节中。按照市场规律，优质应价优，或者相同价格条件下质量好的产品销路应该更好，但现实未必如此。 第三，在科技含量较高的产品竞争中，原来的骨干企业（或重点企业）与民营企业相比仍占有很展大优势。 2．市场竞争对手实力比较。在国内低压电器市场中，国企的产品仍占有60％～70％，换句话说国企仍是主力军。这些企业经过50来年的发展，设计和制造水平有了很大提高，自行设计和制造的产品基本能满足国民经济的需求，但也应该看到，我国低压电器行业企业的制造工艺落后，专用工艺设备少，产品生产重复性差，可靠性水平不高。企业负担重，再加上受拖欠货款的影响，资金紧张是国企的通病，技术改造资金投入太少，产品水平不高，形不成规模经济和经济批量。 国企的市场竞争对手主要有两个，一个是合资企业，另一个是民营企业（或私企）。合资企业通常是外资出技术及装备，中方出厂房及劳动力。产品的起点高，系列化、工装模具好，又没有国企那样重的负担，可谓经济实力与技术实力比较强大。由于合资企业建立的时间尚短，规模也比较小，合资企业的产品价格又高，在竞争中并不占上风。我国民营企业（私企）从1985年以来增速很快，现在已是增中趋缓，但增加的速度仍快于其他所有制。起初从事低压电器的民营企业规模很小，产品品种规格不多，近几年经济规模不断扩大，经济效益愈加明显。这类企业中有一些已达到国家大中型企业的规模，他们的产品成本比国企的低，产品售价有优势，经营思路符合市场经济的规律，销售系统强大、有效，因此他们的经济效益比国企高。这类企业的不足之处在于设计、制造工装的能力不强，开发新产品的能力不强，技术力量相对较弱，但是这类企业与合资企业一样潜力很大。 3．国外的大公司的进入。 这些跨过大公司历史长，管理好，技术力量雄厚，新产品开发周期短，对市场反应迅速。加入WTO后，许多国际先进的电压电器企业还要大举抢滩我国市场。他们也许会以合资、独资等方式，利用我国境内低成本的劳动力和原材料进行生产，从而降低产品成本。这是严峻的挑战。但同时，随着市场的开放，我国低压电器也会轻易地获得国际上先进的生产和管理技术，再以我们的地域优势取得新的优势。 有了来自外部的压力，就迫使我们的低压电器企业引进先进的生产资料，形成先进的生产力。唯此，才能整体提高我们的企业档次，提高我国低压电器行业的整体竞争力。 低压电器技术发展趋势 随着新技术的发展，特别是电子、微电子技术和计算机的迅速发展，将对低压电器元件带来深远的影响，在原有产品继续完善性能、功能、提高质量的同时，将产生一批新型产品。未来低压电器产品的发展将主要有以下几个趋势： 1．低压电器产品智能化 在现代化电站和工矿企业中，已广泛采用电子计算机监控系统，对与之配套的低压断路器提出了高性能、智能化的要求，并要求产品具有保护、监测、试验、自诊断、显示等功能。“八五”期间已开发的智能化断路器DW40、DZ40将进一步完善系列、实现产业化，并在国内重要电力系统中得到应用与推广。 2．产品电子化 在现代化企业中，采用PC控制系统来代替由电气—机械元件组成的系统，已是机械电气控制系统的主流。该系统要求电器产品具有高可靠性、高抗干扰性，还要求触点能可靠接通低电压、弱电流，触头断开时的电弧不能干扰电子电路的正常运行。“八五”期间中国已开始对各种控制电器元件进行相应的电子化改造，发展电子适应型电器，开发固态电器。 3．产品组合化、模块化 将不同功能的模块按不同的需求组合成模块化组合电器，是当今低压电器产品的发展方向。在接触器的本体上加装辅助触头组件、延时组件、自锁组件、接口组件、机械连锁组件及浪涌电压组件等，可以适应不同场合的要求，扩大产品适用范围，简化生产工艺，方便安装、使用与维修。 4．提高产品的可靠性和产品质量 中国现有产品技术指标与国外差距不大，但是质量不稳定，运行可靠性差，因此提高产品可靠性及产品质量不仅是用户的要求，也是企业进行国内外竞争的需要

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