變頻器的控制方式詳解
變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向,而作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心—變頻器的性能也越來(lái)越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素,除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外,對(duì)變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。本文從工業(yè)實(shí)際出發(fā),綜述了近年來(lái)各種變頻器控制方式的特點(diǎn),并展望了今后的發(fā)展方向。
變頻器簡(jiǎn)介1)變頻器的基本結(jié)構(gòu)
變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源,以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備,其中控制電路完成對(duì)主電路的控制,整流電路將交流電變換成直流電,直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波,逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō),有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。
2)變頻器的分類
變頻器的分類方法有多種,按照主電路工作方式分類,可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器;按照開(kāi)關(guān)方式分類,可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器;按照工作原理分類,可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等;按照用途分類,可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。
變頻器控制方式選擇依據(jù)對(duì)于控制方式,要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求來(lái)進(jìn)行選擇。
1、二次方律負(fù)載 對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)、水泵和空氣壓縮機(jī)一類的二次方律負(fù)載,一般采用V/F控制方式為宜。因?yàn)閂/F控制方式有低勵(lì)磁U/f線,在低頻運(yùn)行時(shí)可以更好地節(jié)能。矢量控制方式實(shí)質(zhì)上是使電動(dòng)機(jī)始終保持額定磁通的控制方式,不可能實(shí)現(xiàn)低勵(lì)磁。 2.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
(1)對(duì)于負(fù)載率經(jīng)常變動(dòng)、調(diào)速范圍又不很大的負(fù)載,一般以選擇無(wú)反饋矢量控制為好,因?yàn)閂/F控制方式的“轉(zhuǎn)矩提升量”不易預(yù)置得恰到好處,但采用無(wú)饋矢量控制方式時(shí),須注意:
1)必須進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自測(cè)定。
2、如最低工作頻率在5Hz以下時(shí),需要了解所選的變頻器品牌的低頻運(yùn)行特性。部分變頻器在無(wú)反饋矢量控制方式下低頻運(yùn)行時(shí),常不夠穩(wěn)定。
(2)對(duì)于負(fù)載率穩(wěn)定不變的負(fù)載,可采用V/F控制方式,因?yàn)榭梢赃x用價(jià)格較低廉的沒(méi)有矢量控制功能的通用型變頻器。
(3)起重機(jī)械采用“有反饋矢量控制”方式,部分變頻器可以采用“無(wú)反饋矢量控制”方式。
3、恒功率負(fù)載
(1)卷繞機(jī)械可以采用V/F控制方式或“無(wú)反饋矢量控制”方式。
(2)金屬切削機(jī)床因?yàn)閷?duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高,最好采用“有饋矢量控制”方式。
恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載:P = ML *n/ 9550,ML為轉(zhuǎn)矩恒定,功率與轉(zhuǎn)速成正比 恒功率負(fù)載:ML = 9550P/ n,功率P恒定,轉(zhuǎn)矩與速度成反比。
變頻器的控制方式詳解1、變頻器控制方式之U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)
變頻器的SPWM控制方式的特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低,機(jī)械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時(shí),由于輸出電壓較低,轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著,使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外,其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意,且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高,低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降,穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。
2、變頻器控制方式之電壓空間矢量(SVPWM)
變頻器的SVPWM控制方式是以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的,一次生成三相調(diào)制波形,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn),即引入頻率補(bǔ)償,能消除速度控制的誤差;通過(guò)反饋估算磁鏈幅值,消除低速時(shí)定子電阻的影響;將輸出電壓、電流閉環(huán),以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多,且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。
3、變頻器控制方式之矢量控制(VC)方式
變頻器的VC控制方式的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相-二相變換,等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1,再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流;It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流),然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法,求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量,經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī),分別對(duì)速度,磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。
通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量,經(jīng)坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè),系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。
4、變頻器控制方式之直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式
變頻器的DTC控制方式源于1985年,德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授,他首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。
目前,該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī),因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算;它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制,也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
5、變頻器控制方式之矩陣式交—交方式
變頻器的矩陣式交-交方式省去了中間直流環(huán)節(jié),從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l,輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行,系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟,但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
具體方法是:
1)控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測(cè)器,實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器方式;
2)自動(dòng)識(shí)別(ID)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型,對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別;
3)算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;
4)實(shí)現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào),對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。
矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(2ms),很高的速度精度(±2%,無(wú)PG反饋),高轉(zhuǎn)矩精度(+3%);同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度,尤其在低速時(shí)(包括0速度時(shí)),可輸出150%~200%轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)然,看到這里并不是說(shuō)變頻器就可以完全弄明白了,更好地理解變頻器工作原理還需要各位在理解上述知識(shí)的前提下去分解套用到現(xiàn)實(shí)中,再驗(yàn)證才能算是弄明白了變頻器的工作原理(傳說(shuō)中的廢話:實(shí)踐出真知)。