變頻器控制方式

1、變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為 380650V，輸出功率為 0.75400kW，工作頻 率為0400Hz,它的主電路都采用交一直一交電路。其控制方 式經(jīng)歷了以 下四代。1. U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能 夠 滿足一般傳動的平滑調(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，其機械 特性終究沒有直流電動機 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 制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn) 矩響應(yīng)

2、慢、電機轉(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 人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。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 圓的方式 進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償， 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；將輸出 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。3. 矢量控制(VC)方式矢量控制變頻調(diào)速的做法

3、是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、 Ib、 Ic 、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流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)坐標系下的直流 電流Im1、It1(lm1相當于直流電動機的勵磁電 流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正 比的電樞電流 )，然后模仿直流電動機的 控制方法，求得直流電動機的控制 量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，實 現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流 電動機等效為直流電動機， 分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。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 變換，實現(xiàn)正 交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的

4、意義。然 而在實 際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的 影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復 雜，使 得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。4. 直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC) 方式1985 年，德國魯爾大學的 DePenbrock 教授首次提出了直接轉(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 直接在定子坐標系下分析交流電動機的 數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn) 矩。它不需要將交流

5、電動機等效 為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換 中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡 化交流電動機的數(shù)學模型。5.矩陣式交 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。其共同缺點是輸入功率因數(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)，即不能進行四象 限運行。為此， 矩陣式交 交變頻應(yīng)運而生。 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。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為I,輸入電流 為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的 功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但 仍吸引著眾多的學者深入

6、 研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量, 而是把轉(zhuǎn)矩直接作 為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是 控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器,實現(xiàn)無速度傳感器方式； 自動識別 (ID) 依靠精確的電機數(shù)學模型,對電機參數(shù)自動識別； 算出實際值對應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實 際的轉(zhuǎn) 矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進行實時控制； 實現(xiàn) BandBand 控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 BandBand 控制產(chǎn)生 PWM 信號,對逆變器開關(guān)狀態(tài)進行控制。矩陣式交一交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（2ms）,很高的速度精度（±%，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

7、時（包括0速度時），可輸出150%200%轉(zhuǎn)矩。變頻器的使用中遇到的問題和故障防止由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動作 及 發(fā)生故障，或者無法滿足預期的運行效果。為防患于未然，事先 對故障原 因進行認真分析顯得尤為重要。外部的電磁感應(yīng)干擾如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器 的 內(nèi)部，引起控制回路誤動作，造成工作不正?；蛲C，嚴重時甚 至損壞變 頻器。提高變頻器自身的抗干擾能力固然重要，但由于受 裝置成本限制， 在外部采取噪聲抑制措施，消除干擾源顯得更合理、 更必要 。以下幾項措 施是對噪聲干擾實行 “三不”原則的具體方法： 變頻器周圍所有繼電器、接

8、 觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓 的吸收裝置，如 RC 吸收器；盡量 縮短控制回路的配線距離，并使其 與主線路分離；指定采用屏蔽線回路， 須按規(guī)定進行，若線路較長， 應(yīng)采用合理的中繼方式；變頻器接地端子應(yīng) 按規(guī)定進行，不能同電焊、動力接地混用；變頻器輸入端安裝噪聲濾波器， 避免由電源進線引入干擾。安裝環(huán)境變頻器屬于電子器件裝置， 在其規(guī)格書中有詳細安裝使用環(huán)境的要 求。 在特殊情況下，若確實無法滿足這些要求，必須盡量采用相應(yīng) 抑制措施： 振動是對電子器件造成機械損傷的主要原因，對于振動 沖擊較大的場合， 應(yīng)采用橡膠等避振措施；潮濕、腐蝕性氣體及塵 埃等將造成電子器件生銹、 接觸不良、絕緣降

9、低而形成短路，作為 防范措施，應(yīng)對控制板進行防腐防 塵處理，并采用封閉式結(jié)構(gòu)；溫 度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因 素，特別是半導體器件， 應(yīng)根據(jù)裝置要求的環(huán)境條件安裝空調(diào)或避免日光 直射。除上述 3 點外，定期檢查變頻器的空氣濾清器及冷卻風扇也是非常 必 要的。對于特殊的高寒場合，為防止微處理器因溫度過低不能正 常工作， 應(yīng)采取設(shè)置空間加熱器等必要措施。電源異常 : |電源異常表現(xiàn)為各種形式，但大致分以下 3 種，即缺相、低電壓、 停 電，有時也出現(xiàn)它們的混和形式。這些異?，F(xiàn)象的主要原因多半 是輸電線 路因風、雪、雷擊造成的，有時也因為同一供電系統(tǒng)內(nèi)出 現(xiàn)對地短路及相 間短路。而雷擊因地

10、域和季節(jié)有很大差異。除電壓 波動外，有些電網(wǎng)或自 行發(fā)電單位，也會出現(xiàn)頻率波動，并且這些現(xiàn)象有時在短時間內(nèi)重復出現(xiàn)， 為保證設(shè)備的正常運行，對變頻器供電電源也提出相應(yīng)要求。如果附近有直接起動電動機和電磁爐等設(shè)備，為防止這些設(shè)備投入 時 造成的電壓降低，應(yīng)和變頻器供電系統(tǒng)分離，減小相互影響；對 于要求瞬 時停電后仍能繼續(xù)運行的場合，除選擇合適價格的變頻器 外，還因預先考 慮負載電機的降速比例。變頻器和外部控制回路采 用瞬停補償方式，當電 壓回復后，通過速度追蹤和測速電機的檢測 來防止在加速中的過電流；對 于要求必須量需運行的設(shè)備， 要對變 頻器加裝自動切換的不停電電源裝置。二極管輸入及使用單相控

11、制電源的變頻器，雖然在缺相狀態(tài)也能繼 續(xù) 工作，但整流器中個別器件電流過大及電容器的脈沖電流過大，若長期運行 將對變頻器的壽命及可靠性造成不良影響，應(yīng)及早檢查處理。雷擊、感應(yīng)雷電 .雷擊或感應(yīng)雷擊形成的沖擊電壓有時也能造成變頻器的損壞。 此外， 當 電源系統(tǒng)一次側(cè)帶有真空斷路器時， 短路器開閉也能產(chǎn)生較高的 沖擊電壓。 變壓器一次側(cè)真空斷路器斷開時，通過耦合在二次側(cè)形 成很高的電壓沖擊 尖峰。 為防止因沖擊電壓造成過電壓損壞，通常需要在變頻器的輸入端加 壓敏電 阻等吸收器件，保證輸入電壓不高于變頻器主回路期間所允許的最大電壓。 當使用真空斷路器時，應(yīng)盡量采用沖擊形成追加 RC 浪涌吸收器。若變

12、壓器 一次側(cè)有真空斷路器，因在控制時序上保證 真空斷路器動作前先將變頻器 斷開。過去的晶體管變頻器主要有以下缺點：容易跳閘、不容易再起動、 過 負載能力低。由于 IGBT 及 CPU 的迅速發(fā)展，變頻器內(nèi)部增加了完 善的 自診斷及故障防范功能，大幅度提高了變頻器的可靠性。如果使用矢量控制變頻器中的 “全領(lǐng)域自動轉(zhuǎn)矩補償功能 ”，其中 “起動 轉(zhuǎn)矩不足 ”、“環(huán)境條件變化造成出力下降 ”等故障原因， 將得到很好的克服。 該功能是利用變頻器內(nèi)部的微型計算機的高速 運算，計算出當前時刻所需 要的轉(zhuǎn)矩，迅速對輸出電壓進行修正和 補償，以抵消因外部條件變化而造 成的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩變化 。 _此外，由于變

13、頻器的軟件開發(fā)更加完善，可以預先在變頻器的內(nèi)部 設(shè) 置各種故障防止措施，并使故障化解后仍能保持繼續(xù)運行，例如： 對自由 停車過程中的電機進行再起動；對內(nèi)部故障自動復位并保持 連續(xù)運行；負 載轉(zhuǎn)矩過大時能自動調(diào)整運行曲線，避免 Trip ；能夠 對機械系統(tǒng)的異常轉(zhuǎn) 矩進行檢測。變頻器對周邊設(shè)備的影響及故障防范變頻器的安裝使用也將對其他設(shè)備產(chǎn)生影響，有時甚至導致其他設(shè) 備 故障。因此，對這些影響因素進行分析探討，并研究應(yīng)該采取哪 些措施時 非常必要的。電源高次諧波 .由于目前的變頻器幾乎都采用 PWM 控制方式，這樣的脈沖調(diào)制形式 使得變頻器運行時在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流，并造成電壓波形畸 變，對

14、 電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響，通常采用以下處理措施：采用專用 變壓器對變頻 器供電，與其它供電系統(tǒng)分離；在變頻器輸入側(cè)加裝 濾波電抗器或多種整 流橋回路，降低高次諧波分量，對于有進相電 容器的場合因高次諧波電流 將電容電流增加造成發(fā)熱嚴重，必須在 電容前串接電抗器，以減小諧波分 量，對電抗器的電感應(yīng)合理分析 計算，避免形成 LC 振蕩。電動機溫度過 高及運行范圍 對于現(xiàn)有電機進行變頻調(diào)速改造時，由于自冷電機在低速運 行時冷卻能力下降造成電機過熱。 此外，因為變頻器輸出波形中所含有的 高 次諧波勢必增加電機的鐵損和銅損，因此在確認電機的負載狀態(tài) 和運行范 圍之后，采取以下的相應(yīng)措施：對電機進行強冷通風

15、或提 高電機規(guī)格等級； 更換變頻專用電機；限定運行范圍，避開低速區(qū)。振動、噪聲振動通常是由于電機的脈動轉(zhuǎn)矩及機械系統(tǒng)的共振引起的，特別是 當 脈動轉(zhuǎn)矩與機械共振電恰好一致時更為嚴重。噪聲通常分為變頻 裝置噪聲 和電動機噪聲，對于不同的安裝場所應(yīng)采取不同的處理措 施：變頻器在調(diào) 試過程中，在保證控制精度的前提下，應(yīng)盡量減小脈沖轉(zhuǎn)矩成分；調(diào)試確認 機械共振點，利用變頻器的頻率屏蔽功能，使這些共振點排除在運行范圍之 外；由于變頻器噪聲主要有冷卻風 扇機電抗器產(chǎn)生，因選用低噪聲器件； 在電動機與變頻器之間合理 設(shè)置交流電抗器，減小因 PWM 調(diào)制方式造成 的高次諧波。高頻開關(guān)形成尖峰電壓對電機絕緣不利

16、在變頻器的輸出電壓中， 含有高頻尖峰浪用電壓。 這些高次諧波沖擊 電 壓將會降低電動機繞組的絕緣強度，尤其以 PWM 控制型變頻器更為 明 顯，應(yīng)采取以下措施：盡量縮短變頻器到電機的配線距離；采用阻 斷二極 管的浪涌電壓吸收裝置，對變頻器輸出電壓進行處理；對 PWM 型變頻器 應(yīng)盡量在電機輸入側(cè)加濾波器。變頻器技術(shù)發(fā)展方向預測 變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變器。當今 的運動控制系統(tǒng)包含多種學科的技術(shù)領(lǐng)域， 總的發(fā)展趨勢是： 驅(qū)動的交流化， 功率變換 器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作 為 系統(tǒng)的重要功率變換部件， 提供可控的高性能變壓變頻的交流電源 而得 到迅猛發(fā)展。隨著

17、新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā) 展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在 不斷地 提高可靠性實現(xiàn)變頻器的進一步小型輕量化、 高性能化和多功能化以及無公 害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對 電機的影響；二要看對電網(wǎng)的諧波污染和 輸入功率因數(shù)；三要看本身的能 量損耗如何。這里僅以量大面廣的 交 直交變頻器為例，闡述它的發(fā)展 趨勢：主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化；開關(guān) 頻 率不斷提高，開關(guān)損耗進一步降低。變頻器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)方面。變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對低壓小容量 的裝置常采用 6 脈沖變流器，而對中壓大容

18、量的裝置采用多重化 12 脈沖以 上的變流器。 負載側(cè)變流器對低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。對于四 象限運行的轉(zhuǎn)動，為實 現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量， 網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器， 同時出現(xiàn)了功率可雙向流動的雙 PWM 變頻器，對網(wǎng)側(cè)變流器加以適當控 制可使輸入電流接近正弦波，減 少對電網(wǎng)的公害。脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào)制控制、消 除 指定次數(shù)諧波的 PWM 控制、電流跟蹤控制、 電壓空間矢量控制 （磁 鏈跟蹤 控制）。交流電動機變頻調(diào)整控制方法的進展主要體現(xiàn)在由標量控制向高動 態(tài)性能 的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展和開發(fā)無速度傳感器的矢量 控制和直接轉(zhuǎn) 矩控制系統(tǒng)方面。微處理器的進步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向。 運動控制系統(tǒng) 是快速系統(tǒng)，特別是交流電動機高性能的控制需要存儲多種數(shù)據(jù)和 快