公司產品:三相異步電動機、隔爆型三相異步電動機、電磁制動三相異步電動機、變頻調速三相異步電動機、煤礦井下用隔爆型三相異步電動機
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現代交流變頻調速技術的發展概況

發布時間:2020-06-07 17:19人氣:

現代交流電機變頻調速系統的發展,主要經歷了以下幾個階段:早期通用變頻器,大多數為開環恒壓頻比的控制方式.其優點是控制結構簡單、成本較低.缺點是系統控制以及調速性能不高,比較適合應用在風機、水泵等場合,其控制曲線會隨著負載的變化而變化,轉矩響應慢,電磁轉矩利用率不高,低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降,穩定性變差;八十年代初日本學者提出了基于磁通軌跡的電壓空間矢量法(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提,以逼近電機氣隙理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,一次生成三相調制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制,它通過引入頻率補償控制,消除速度控制穩態誤差,基于電動機的穩態模型,用直流電流信號重建相電流,由此估算出磁鏈幅值,并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對調速性能的影響。實現輸出電壓、電流閉環控制,以提高動態負載下的電壓控制精度和穩定度,同時在一定程度上獲得電流波形的改善。這種控制方法的另一個優點是對再生過電壓、過電流抑制較為明顯,從而可以實現快速的加減速。

交流電機是一個多變量,非線性的復雜的被控對象,上述方法研究其控制特性,靜、動態效果均不太理想,在上述各種方法中,由于未引入轉矩控制調節,系統性能沒有得到根本性的改善。針對上述控制方法的缺點,國外一些學者通過對電機數學模型進行了簡化,實現了現在應用比較廣的矢量控制理論,也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出,以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理,由此開創了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜,但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質陽]。矢量控制的基本原理是控制電機磁鏈矢量,通過分解定子電流,使之分解成轉矩和磁場兩個分量,經過坐標變換實現正交解耦控制。但是,由于轉子磁鏈難以準確觀測,以及矢量變換的復雜性。使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果,這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外,它必須直接或間接得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制,從而使得在這種矢量控制系統中需要配置轉子位置或速度傳感器,這給許多應用場合帶來不便。在電機運行過程中,由于溫度等外界環境和電機磁場變化對電機轉子時間常數等參數的影響,大大降低了控制系統的精度,轉子時間常數的辨識方面,國內外許多學者做了大量的工作.繼矢量控制方式之后,1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論(Direct Torque control簡稱DTC)。直接轉矩控制與矢量控 制不同,它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩,而是把轉矩直接作為被控量來控制,轉矩控制的優越性在于:轉矩控制是控制定子磁鏈,在本質上并不需要轉速信息,直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型,控制電動機的鏈和轉矩。它不需要將交流電動機控制等效成直流電動機控制方式,因而避免了矢量旋轉變換中的許多復雜計算,它不需要模仿直流電動機的控制,也不需要為解藕而簡化交流電動機的數學模型??刂粕蠈Τㄗ与娮柰?,其他所有電機參數變化魯棒性良好;所引入的定子磁鏈觀測器能夠很容易對同步速度信息進行估算,因而能方便地實現無速度傳感器控制。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中,對于一些不方便安裝速度傳感器的場合尤其重要,提高了系統的穩定性,這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而,這種控制依賴于精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別(Identification簡稱ID),通過ID確立電機實際的定子阻抗互感、電機慣量等重要參數,然后根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子磁鏈和轉子速度,并由磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號,對逆變器的開關狀態進行控制。交流傳動與控制技術是目前發展最為迅速的技術之一,這是和電力電子器件制造技術、變流技術、控制技術以及微型計算機和大規模集成電路的飛速發展密切相關的。

變頻技術的發展是建立在電力電子技術發展基礎之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中,應用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及IPM,IGBT和IPM集中了GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關特性,是目前通用變頻器中應用最為廣泛的主流功率器件。IGBT集射集電壓可小于3V,開關頻率可達到20KHz,內含的集射極間超高速二極管T??蛇_150ns。第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了更大的提高。其一是IGBT開關器件發熱減少,將曾占主回路發熱50-70%的器件發熱降低到了30%;其二是高載波控制,使輸出電流波形有明顯改善;其三是開關頻率提高,使之超過人耳的感受范圍,即實現了電機運行的靜音化;其四是驅動功率減少,體積趨于更小。而IPM的投入應用比IGBT約晚二年,由于IPM包含了IGBT芯片及外圍的驅動和保護電路,有些甚至把光耦也集成于一體,因此是一種更為經濟適用的集成型功率器件。目前,在模塊額定電流10-600A范圍內,通用變頻器均有采用IPM的趨勢,其優點有:(1)開關速度快,驅動電流小,控制驅動更為簡單;(2)內含電流傳感器,可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流,能對功率芯片給予足夠的保護,故障率大大降低;(3)由于在器件內部電源電路和驅動電路的配線設計上做到優化,所以浪涌電壓、門極振蕩、噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制;(4)保護功能較為豐富,如電流保護、電壓保護、溫度保護等一應俱全,隨著技術的進步,保護功能將進一步日臻完善;(5)IPM的售價已逐漸接近IGBT,而設計人員采用IPM后的開關電源容量、驅動功率容量的減小和器件的節省以及綜合性能提高等因素后,在許多場合其性價比己高過IGBT,有很好的經濟性??刂萍夹g的發展還得益于微處理機技術的發展,自從1991年INTEL公司推出8XI196MC系列以來,專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發展。如日本三菱電機開發的用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240系列都是頗具代表性的產品。與單片機相比,DSP器件具有較高的集成度,具有更快的CPU,更大容量的存儲器,提供高速、同步串口和標準異步串口,有的片內集成了模數轉換器和采樣保持電路,可提供PWM輸出,其匯編指令集為仿C語言或代數語言格式,所有指令都能在一個機器周期內完成,并且通過并行處理技術,使一個機器周期可完成多條指令。TI和AD公司的DSP采用改進的哈佛結構,具有獨立的程序空間和數據空間,允許同時存取程序和數據,同時,程序空間和數據空間也有專門的通道可以進行數據交換,從而既避免了某一個空間的浪費,又為某些應用做好了準備。內置高速的硬件乘法器,增強的多級流水線,使DSP器件具有高速的數據運算能力。而單片機為復雜指令系統計算機(CISC),多數指令要2-3個指令周期來完成。單片機采用諾依曼結構,程序和數據在同一空間存取,同一時刻只能單獨訪問指令或數據。ALU只能作加法,乘法需要由軟件來實現,因此占用較多的指令周期,運算速度比較慢。所以,結構上的差異使DSP器件比16位的單片機單指令執行時間快8-10倍,完成一次乘法運算快16-30倍。

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