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變頻器基礎(chǔ)講座(四)

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

低壓通用變頻輸出電壓為380~650V,輸出功率為0.75~400kW,工作頻率為0~400Hz,它的主電路都采用交-直-交電路。 變頻器中常用的控制方式: 1 非智能控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 (1) V/f正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式 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行調(diào)速的同時,又要保證電動機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,不能達到較高的控制性能,而且,在低頻時,必須進行轉(zhuǎn)矩補償,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載變動有良好的響應(yīng)特性。 (3) 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。 (4) 矢量控制(VC)方式 矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位,以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制,進而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間,又可以形成各種PWM波,達到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。 基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致,但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進行控制,使之滿足一定的條件,以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此,基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是,這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式,需要在電動機上安裝速度傳感器,因此,應(yīng)用范圍受到限制。 無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制,然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬,啟動轉(zhuǎn)矩大,工作可靠,操作方便,但計算比較復(fù)雜,一般需要專門的處理器來進行計算,因此,實時性不是太理想,控制精度受到計算精度的影響。 矢量控制是怎樣使電機具有大的轉(zhuǎn)矩的? 1: 轉(zhuǎn)矩提升    此功能增加變頻器的輸出電壓,以使電機的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比的關(guān)系增加,從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩。    改善電機低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù)    使用"矢量控制",可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz(對4極電機,其轉(zhuǎn)速大約為30r/min)時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩(最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%)。    對于常規(guī)的V/F控制,電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加,這就導致由于勵磁不足,而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補償這個不足,變頻器中需要通過提高電壓,來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做"轉(zhuǎn)矩提升"(*1)。    轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓,電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應(yīng)的提高。 因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量(如勵磁分量)。    "矢量控制"把電機的電流值進行分配,從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量(如勵磁分量)的數(shù)值。    "矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應(yīng),進行優(yōu)化補償,在不增加電流的情況下,允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。 (5) 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)矩控制是利用空間矢量坐標的概念,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,通過檢測定子電阻來達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,對于多拖動具有負荷平衡功能。 (6) 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。 (7) 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l,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)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),可輸出150%~200%轉(zhuǎn)矩。 (8)其他非智能控制方式 在實際應(yīng)用中,還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn),例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。 2 智能控制方式 智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學習控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。 (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,使電動機的升速時間得到控制,以避免升速過快對電機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)欤娣乓欢ǖ膶<倚畔?,另外還要有推理機制,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) 學習控制 學習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,因此學習控制也可用于變頻器的控制中。學習控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息,但是需要1~2個學習周期,因此快速性相對較差,而且,學習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,學習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。 3 變頻器控制的展望 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的發(fā)展,變頻器的控制方式今后將向以下幾個方面發(fā)展。 (1) 數(shù)字控制變頻器的實現(xiàn) 現(xiàn)在,變頻器的控制方式用數(shù)字處理器可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的運算,變頻器數(shù)字化將是一個重要的發(fā)展方向,目前進行變頻器數(shù)字化主要采用單片機MCS51或80C196MC等,輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實現(xiàn)更加完善的控制性能。 (2) 多種控制方式的結(jié)合 單一的控制方式有著各自的優(yōu)缺點,并沒有“萬能”的控制方式,在有些控制場合,需要將一些控制方式結(jié)合起來,例如將學習控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合,自適應(yīng)控制與模糊控制相結(jié)合,直接轉(zhuǎn)矩控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合,或者稱之為“混合控制”,這樣取長補短,控制效果將會更好。 (3) 遠程控制的實現(xiàn) 計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,使“天涯若咫尺”,依靠計算機網(wǎng)絡(luò)對變頻器進行遠程控制也是一個發(fā)展方向。通過RS485接口及一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對變頻器進行遠程控制,這樣在有些不適合于人類進行現(xiàn)場操作的場合,也可以很容易的實現(xiàn)控制目標。 (4) 綠色變頻器 隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出,對于環(huán)境的保護越來越受到人們的重視。變頻器產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)會帶來污染,降低變頻器工作時的噪聲以及增強其工作的可靠性、安全性等等這些問題,都試圖通過采取合適的控制方式來解決,設(shè)計出綠色變頻器。 4 結(jié)束語 變頻器的控制方式是一個值得研究的問題,依靠致力于這項工作的有識之士的共同努力,使國產(chǎn)變頻器早日走向世界市場并且成為一流的產(chǎn)品。   

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