試論交流變頻拖動系統(tǒng)

1、試論交流變頻拖動系統(tǒng) 試論交流變頻拖動系統(tǒng) 【摘 要】交流調(diào)速技術(shù)的根本控制原理很早就已經(jīng)確立，轉(zhuǎn)子電阻控制、串級調(diào)速等方式早已經(jīng)實用化，但是長期以來，異步電機交流調(diào)速技術(shù)在穩(wěn)定性、可靠性、控制性能和維修等方面的缺乏，使其使用范圍受到限制；尤其是在像電梯等對控制性能、可靠性等要求非常高的系統(tǒng)中，一直都是直流電動機調(diào)速技術(shù)的天下。1965年以后，由于晶閘管及控制晶體管的進(jìn)步，控制線繞式異步電動機的轉(zhuǎn)子電壓進(jìn)行調(diào)速運轉(zhuǎn)的靜止串級調(diào)速、采用晶閘管逆變器控制鼠籠式異步電動機進(jìn)行調(diào)速運轉(zhuǎn)等方式逐漸實用化，逐漸奠定了以逆變器為主流的技術(shù)根底。而且直接采用電動機調(diào)速的技術(shù)逐漸取代了其它各種調(diào)速技術(shù)如采用皮帶

2、的機械式傳動、采用液壓聯(lián)軸節(jié)的液力傳動等，成為調(diào)速技術(shù)的主流。 【關(guān)鍵詞】交流調(diào)速;控制原理;變頻器 1.變頻調(diào)速技術(shù)的根本原理 異步電機，特別是三相鼠籠式電機，由于結(jié)構(gòu)簡單牢固、價格廉價、運行可靠和無需維護等特點，在交流傳動中得到了及為廣泛的應(yīng)用；異步電機的調(diào)速可分為兩大類，一類是在電機旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速，恒定的情況下調(diào)節(jié)電機的電機轉(zhuǎn)差率；另一類是調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機的調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、滑差離合器調(diào)速、斬波調(diào)速等，都是在電機旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速恒定的情況下調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)電機調(diào)速，這類調(diào)速方法簡單，易于實現(xiàn)，但效率較低。變極調(diào)速和變頻調(diào)速那么是在保持邃本不變的情況下，調(diào)節(jié)電

3、機的同步轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)電機調(diào)速，這類調(diào)速方法屬于高效率的調(diào)速方法，特別是變頻調(diào)速是異步電動機高效調(diào)速方法的典型，它既能實現(xiàn)異步電動機的無級調(diào)速，又能根據(jù)負(fù)載的特性不同，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓與頻率之間的關(guān)系，可使電機始終運行在高效率區(qū)，并保證良好的運行特性。另外異步電動機采用變頻調(diào)速技術(shù)還能顯著改善起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩，同時還能加寬調(diào)速范圍、提高力力矩性能指標(biāo)等?？梢哉f，變頻調(diào)速是目前為止異步電動機最為理想的調(diào)速方法。 2.變頻器的結(jié)構(gòu) 綜合考慮液壓電梯控制系統(tǒng)的特點，主要考慮的是低頻力矩指標(biāo)和四象限工作能力；在變頻調(diào)速液壓電梯速度控制中，采用電壓源型交-直-交變頻器。變頻

4、器主要由五局部組成：整流回路、逆變器、控制電路、制動組件和保護回路。 2.1整流回路 整流器由二極管或晶閘管組成，它負(fù)責(zé)將工頻電源變成直流。在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器局部產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動；為了抑制電壓波動，可采用直流電抗和電容吸收脈動電壓電流。 2.2逆變器 現(xiàn)在的交-直-交變頻器在采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)后，把調(diào)壓和調(diào)頻的任務(wù)統(tǒng)一由變頻器來完成，最常用的調(diào)節(jié)方案采用SPWM方式，采用參考正弦電壓波與載頻三角波來互相比擬，決定主開關(guān)的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)調(diào)壓，利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。脈寬調(diào)制型變頻器不僅可以把調(diào)壓和調(diào)頻的功能

5、集于一身，而且還因采用不可控整流，簡化了整流裝置，降低了整流器的造價，同時還改善了系統(tǒng)的功率因數(shù)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，特別是通過采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方法可以使變頻器輸出電壓中諧波分量，尤其是低次諧波顯著減少，從而使異步電動機的技術(shù)性能指標(biāo)得到了大幅度地改善。 2.3制動組件 一般的電壓源型交-直-交變頻器為不可逆變頻器，即變頻器正常運行為兩象限運轉(zhuǎn)，電源只向異步電動機輸出功率。對于減速時需要制動力的負(fù)載，功率會從異步電動機向逆變器回流，此時變頻器需附加一套制動組件，以實現(xiàn)電機、象限制動；制動組件采用制動電阻的形式，當(dāng)異步電動機工作于制動發(fā)電狀態(tài)時轉(zhuǎn)差率為負(fù)，將產(chǎn)生再生能量，再生能量存于變頻器平滑回

6、路電容器中，使平滑回路中直流電壓升高，當(dāng)電壓升高到一定值時，控制電路使制動局部的晶體管道通，再生能源流入電阻器被消耗掉。再生能量較大時，控制單元和電阻單元將分別設(shè)置。對于需要急加減速度，并且加減速度頻繁的場合電梯，或?qū)τ谥苿訛橹饕康膱龊弦簤弘娞菹滦?，需采用可逆變頻器，實現(xiàn)電動機的四象限運行，即雙向電動和能量回饋制動運行。可逆型逆變器可以將電機的再生能源反應(yīng)回電網(wǎng)。 2.4控制回路 向異步電機供電的主回路提供控制信號的回路，稱為控制回路。控制回路由由運算回路、電流電源檢測回路、驅(qū)動回路、測速回路等組成。其中運算回路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩指令同檢測回路的電流、電壓信號進(jìn)行比擬運算，決定變頻器的輸出電

7、源和頻率。電壓/電流檢測回路采用霍耳CT、電阻等元件，并與主回路隔離進(jìn)行電壓、電流的檢測。驅(qū)動回路驅(qū)動主回路元件的導(dǎo)通、關(guān)斷，它與控制回路隔離。速度檢測回路通過異步電機軸上的速度檢測器TG、PLG或其他途徑，將速度信號送回運算回路，對系統(tǒng)構(gòu)成速度閉環(huán)控制。 2.5保護回路 變頻器控制回路中的保護可分為變頻器保護和異步電動機保護。變頻器的保護功能有：瞬時過電流保護、過載保護、再生過電壓保護、瞬時停電保護、接地過電流保護、冷風(fēng)機異常保護等。對異步電動機的保護有：過載保護和超速超頻保護。 3.變頻調(diào)速的控制方式 3.1 V/F控制 異步電動機的轉(zhuǎn)速由電源頻率和級數(shù)決定，所以改變頻率可以控制電動機調(diào)速

8、運行。但是頻率的改變導(dǎo)致電動機內(nèi)部阻抗也改變，因此單獨改變頻率將產(chǎn)生由弱勵磁引起的轉(zhuǎn)矩缺乏和由過勵磁引起的磁飽和等現(xiàn)象，使電動機的功率因數(shù)和效率下降：V/F是一種開環(huán)控制方式，變頻器在改變輸出頻率的同時，必須控制變頻器的輸出電壓，即使V/F為常值。V/F控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但是靜、動態(tài)性能均不理想，尤其在低頻時的特性較差，需要函數(shù)發(fā)生器適當(dāng)提高定子電壓來補償磁通的減少；這種控制方式根本上不適合在液壓電梯中應(yīng)用。 3.2轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制方式是在V/F控制方式的根底上開展起來的，需要檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，然后以電動機速度與轉(zhuǎn)差頻率的和來給定變頻器輸出頻率。由于能夠任意控制與轉(zhuǎn)矩、電流有直接關(guān)

9、系的轉(zhuǎn)差頻率，與V/F控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它具有速度控制器，利用速度反應(yīng)進(jìn)行速度閉環(huán)控制可適用于自動控制系統(tǒng)。在V/F控制中，如果保持電動機氣隙磁通一定，那么電動機的轉(zhuǎn)矩及電流由轉(zhuǎn)差頻率決定。如果增加控制電動機轉(zhuǎn)差頻率的功能，那么異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就可以控制。轉(zhuǎn)差頻率是施加于電動機的交流電壓頻率與電動機速度電氣角頻率的差頻率，在電動機上安裝測速發(fā)電機PG等速度檢測元件，就可以知道電動機的速度，此速度加上轉(zhuǎn)差頻率與產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)就是變頻器的輸出頻率。根據(jù)電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)差頻率成比例的事實來控制電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，就是轉(zhuǎn)差頻率控制的原理，這種控制方式具有較高的靜動態(tài)性能。 3.3矢量控制 矢量控制的特點：1矢量控制特性比其他控制特性優(yōu)越，可實現(xiàn)與直流電機相同的控制特性；2矢量控制變頻調(diào)速響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍廣，特別是低速段的調(diào)速性能優(yōu)越，可滿足頻繁急加、減速度運轉(zhuǎn)和連續(xù)四象限運轉(zhuǎn)等場合；3可以進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。在電機靜止?fàn)顟B(tài)時，能控制產(chǎn)生靜止轉(zhuǎn)矩；4控制運算中一般需要使用電動機的參