變頻器的控制方式及應(yīng)用選型

1、廣州觸摸屏維修 變頻器的控制方式及應(yīng)用選型1、引言變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了 SCR （晶閘 管）、GT0 （門極可關(guān)斷晶閘管）、BJT （雙極型功率晶體管）、M0SFET （金屬氧化物場效應(yīng)管）、SI T（靜電感應(yīng)晶體管）、SI TH （靜電感應(yīng)晶閘管）、M GT（ M OS控制晶體管）、M CT（ M OS控制晶閘管）、I GBT （絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT （耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過程，器件的更新促進(jìn)了 電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變

2、頻（PWM - VVVF ）調(diào)速研究引起 了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣， 并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英 等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。2、變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380650 V，輸出功率為0.7540 0 k W，工作頻率為040 0H z，它的主電路 都采用交 直 交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。2. 1 U/ f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPW M ）控制方式其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳

3、動的平滑調(diào)速要求，已在 產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸岀電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降 的影響比較顯著，使輸岀最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(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。因此人們又研究岀矢 量控制變頻調(diào)速。變頻器知識匯編2. 2 電壓空間矢量（SVPWM ）控制方式它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

4、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；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸岀電壓、電流閉環(huán)，以提高動 態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。2. 3 矢量控制（VC）方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流la、lb、I c、通過三相一二相變換， 等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 的直流電流Im1、 It 1 （ I m 1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It 1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后 模

5、仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控 制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子 磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法 的提岀具有劃時代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影 響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(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。2. 4 直接轉(zhuǎn)矩控制（D TC）方式198 5年，德國魯爾大學(xué)的DePen brock教授首次提岀了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)

6、。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、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(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上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(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。它不需要將交 流電動機(jī)等效為直流電動機(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機(jī)的控 制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。廣州觸摸屏維修 變頻器知識匯編2、5矩陣式交一交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交-直-交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸

7、入功率因 數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。 為此，矩陣式交-交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交-交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價 格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為I ,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實(shí)現(xiàn)的。具體方法是：控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式；自動識別（ID ）依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)參數(shù)自動識別；算岀實(shí)際值對應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算岀實(shí)際的

8、轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí) 時控制；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，對逆變器開關(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)（ 2 m s），很高的速度精度（2 %，無PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（ + 3 % ）;同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸岀150 % 20 0 %轉(zhuǎn)矩。3、變頻器控制方式的合理選用控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國 產(chǎn)的共約50多種。選用變頻器時不要認(rèn)為檔次越高越好，而要按負(fù)載的特性，以滿足使用要求為準(zhǔn)，以 便做到量才

9、使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。表1中所列參數(shù)供選用時參考。變頻器知識匯編4、轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問題基于調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速方 式。在推出P WM磁通矢量控制的變頻器數(shù)年后，1 998年末又出現(xiàn)采用DTC控制技術(shù)的變頻器。ABB公 司的A CS600系列是第一代采用DTC技術(shù)的變頻器，它能夠用開環(huán)方式對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而 且動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于P WM閉環(huán)控制指標(biāo)。直接轉(zhuǎn)矩控制以測量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入。該模型每隔25 gs產(chǎn)生一組精確的 轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩

10、和磁通的給定值進(jìn)行比較，以 確定最佳開關(guān)位置。由此可以看岀它是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量，即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào) 整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達(dá)到精確控制的目的。4. 1選型原則首先要根據(jù)機(jī)械對轉(zhuǎn)速（最高、最低）和轉(zhuǎn)矩（起動、連續(xù)及過載）的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率（即 電機(jī)的額定功率最小值）。有經(jīng)驗(yàn)公式P= nT/ 9950 （kW）式中：P機(jī)械要求的輸入功率（k W）;n機(jī)械轉(zhuǎn)速（r / m i n）;T機(jī)械的最大轉(zhuǎn)矩（N m） o然后，選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個 調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免

11、浪費(fèi)，可允許電機(jī)短時超岀同步轉(zhuǎn)速， 但必須小于電機(jī)允許的最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動、連續(xù)運(yùn)行、過載或最高轉(zhuǎn)速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。 最后，根據(jù)變頻器輸岀功率和額定電流稍大于電機(jī)的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數(shù)與型號。變頻器知識匯編需要注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)岀的，一般指海拔100 0m 廣州觸摸屏維修 以下，溫度在40 C或25 C以下。若使用環(huán)境超岀該規(guī)定，則在確定變頻器參數(shù)、型號時要考慮到環(huán)境造 成的降容因素。4. 2變頻器的外部配置及應(yīng)注意的問題1 ）選擇合適的外部熔斷器，以避免因內(nèi)部短路對整流器

12、件的損壞變頻器的型號確定后，若變頻器內(nèi)部整 流電路前沒有保護(hù)硅器件的快速熔斷器，變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器和隔離開關(guān)，不能用 空氣斷路器代替熔斷器和隔離開關(guān)。2 ）選擇變頻器的引入和引岀電纜根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯屏蔽動力電纜。尤其 是從變頻器到電機(jī)之間的動力電纜一定要選用屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜，且要盡可能短，這樣可降低電磁輻射和容 性漏電流。當(dāng)電纜長度超過變頻器所允許的輸岀電纜長度時，電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作， 為此要配置輸岀電抗器。對于控制電纜，尤其是I/O信號電纜也要用屏蔽結(jié)構(gòu)的。對于變頻器的外圍元件 與變頻器之間的連接電纜其長度不得超過10m。3 ）在輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器根據(jù)變頻器安裝場所的其它設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)的要求，若變頻器工 作時已影響到這些設(shè)備的正常運(yùn)行，可在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器，抑制由功率器件通 斷引起的電磁干擾。若與變頻器連接的電網(wǎng)的變壓器中性點(diǎn)不接地，則不能選用EM C濾波器。當(dāng)變頻器 用500 V以上電壓驅(qū)動電機(jī)時，需在輸岀側(cè)配置du/dt濾波器，以抑制逆變輸