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[導(dǎo)讀]導(dǎo)讀:變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(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

導(dǎo)讀:變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(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,對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的?;谧冾l器的性能要素分析,本文先介紹了變頻器的概念、分類,然后分析了變頻器控制方式的特點(diǎn),最后總結(jié)出了變頻器的常用控制方式。

一、變頻器的概念

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源,以實現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備,其中控制電路完成對主電路的控制,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。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說,有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。

二、變頻器的分類

1.按直流電源性質(zhì)分類:

a.電流型變頻器 .電流型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié),緩沖無功功率,即扼制電流的變化,使電壓接近正弦波,由于該直流內(nèi)阻較大,故稱電流源型變頻器(電流型)。電流型變頻器的特點(diǎn)(優(yōu)點(diǎn))是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負(fù)載電流變化較大的場合;

b.電壓型變頻器 .電壓型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容,負(fù)載的無功功率將由它來緩沖,直流電壓比較平穩(wěn),直流電源內(nèi)阻較小,相當(dāng)于電壓源,故稱電壓型變頻器,常選用于負(fù)載電壓變化較大的場合。

2. 按照主電路工作方式分類:

a. 電壓型變頻器。在電壓型變頻器中,整流電路或者斬波電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓,并通過直流中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸出;整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用。而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓;

b. 電流型變頻器。在電流型變頻器中,整流電路給出直流電流,并通過中間電路的電抗將電流進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用,而電流源輸出的直流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電流,并被分配給各輸出相后作為交流電流提供給電動機(jī)。

3. 按照開關(guān)力式分類:

a. PAM控制。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation(脈沖振幅調(diào)制)控制的簡稱,是一種在整流電路部分對輸出電壓(電流)的幅值進(jìn)行控制,而在逆變電路部分對輸出頻率進(jìn)行控制的控制方式;

b. PWM控制。PWM控制是Pulse Amplitude Modulation(脈沖寬度調(diào)制)控制的簡稱,是在逆變電路部分同時對輸出電壓(電流)的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式;

c.高載頻PWM控制。這種控制方式原理上實際是對PWM控制方式的改進(jìn),是為了降低電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲而采用的一種控制方式。在這種控制方式中,載頻被提高到人耳可以聽到的頻率(10-20kHz)以上,從而達(dá)到降低電動機(jī)噪聲的目的。

4.按變換的環(huán)節(jié)分類:

a.可分為交-交變頻器。將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流,又稱直接式變頻器;

b.交-直-交變頻器。是先把工頻交流通過整流器變成直流,然后再把直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流,又稱間接式變頻器,是目前廣泛應(yīng)用的通用型變頻器。

三、變頻器控制方式的特點(diǎn)

1.節(jié)能。 只要降低頻率,電機(jī)用不完的能量就節(jié)省下來。

2.無極調(diào)速。 根據(jù)需要任意調(diào)級電機(jī)轉(zhuǎn)速, 使一切變速的需要變的輕而易舉,隨心所欲。

3.啟動平穩(wěn)。 速度平穩(wěn)上升,停止平穩(wěn),速度平滑下降,沒有沖擊。

4.結(jié)構(gòu)簡單。擁有力矩響應(yīng)好、調(diào)速精度高,速度控制范圍較廣,可用于通用鼠籠型異步電機(jī)。

5.它具備多種信號輸入輸出端口,接收和輸出模擬信號,電流、電壓信號。變頻器與工控機(jī)、編程器配合,就能形成自動化控制系統(tǒng)。

四、變頻器的常用控制方式

A.非智能控制方式

(1) V/f控制

V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性,基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時,又要保證電動機(jī)的磁通不變的思想而提出的,通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單,但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式,不能達(dá)到較高的控制性能,而且,在低頻時,必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償,以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

(2) 轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式,它是在 V/f控制的基礎(chǔ)上,按照知道異步電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率,并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,就可以使電動機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式,在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器,有時還加有電流反饋,對頻率和電流進(jìn)行控制,因此,這是一種閉環(huán)控制方式,可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性,并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性。

(3) 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念,在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型,控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的,因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算,系統(tǒng)直觀、簡潔,計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下,也能輸出 100%的額定轉(zhuǎn)矩,對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。

(4) 最優(yōu)控制

最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同,可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進(jìn)行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中,就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略,以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。

B.智能控制方式

(1) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中,一般是進(jìn)行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制,這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少,因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能,又要進(jìn)行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時控制多個變頻器,因此在多個變頻器級聯(lián)時進(jìn)行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會在具體應(yīng)用中帶來不少實際困難。

(2) 模糊控制

模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率,使電動機(jī)的升速時間得到控制,以避免升速過快對電機(jī)使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分,這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。

(3) 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是利用所謂 “專家”的經(jīng)驗進(jìn)行控制的一種控制方式,因此,專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)?,存放一定的專家信息,另外還要有推理機(jī)制,以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機(jī)制的設(shè)計是尤為重要的,關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓,又可以控制其電流。

(4) 學(xué)習(xí)控制

學(xué)習(xí)控制主要是用于重復(fù)性的輸入,而規(guī)則的 PWM信號(例如中心調(diào)制PWM)恰好滿足這個條件,因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制中[24].學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息,但是需要1~2個學(xué)習(xí)周期,因此快速性相對較差,而且,學(xué)習(xí)控制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié),這用模擬器件是無法實現(xiàn)的,同時,學(xué)習(xí)控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題,在應(yīng)用時要特別注意。

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