矢量控制
IGBT
微机控制技
术
单片机
DSP
IGBT大容量化
更高速率和容量
如:矩阵式变频器大功率传
动使用变
频器,体
积大,价
格高
未来发展方向
完美无谐波
PWM技术
SPWM技术
PWM优化
新一代开关技术
无速度矢量控制
电流矢量V/F
70年代80年代
60年代90年代
高速DSP
专用芯片
00年代
超静音变频器开始流行
解决了GTR噪声问题
1.按变换环节分类
按变换环节来分可以分为交-交直接变频器和交-直-交
间接变频器。
优点:没有中间环节,变换效率高。
缺点:总设备投资大,交-交变频器的最大输出频率为30HZ ,其应用受到限制。
8.1.4变频器的分类
1交-交直接变频器
2交-直-交变频器:
~整流部分储能环节逆变部分M交流直流直流交流
控制系统
(4交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大
需求,台数不多,功率大。主要靠进口,国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000~8000kW。功率部分国产,数字控制装置进口,包括开发应用软件。
8.1.1变频技术及变频器
1、变频器
变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置。
一般频率是从额定频率f
1N
向下调,所以需要
同时降低电源电压。
4基频以上恒功率(恒电压变频调速
当f
1>f1N时,U1=const,f↑→ Φm↓(属于弱磁调速→电磁转矩T↓→P不
变,属于恒功率调速。
●额定频率以上调频时,理想空载转速增大,最大转矩大幅减小。
●最大转矩点对应的转差n
几乎不变,但由于最大转矩
随着交流调速的发展,该设备在缩减,但由于我国旧设备改造任务多,以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多,所以在短期内有一定市场。国产设备能满足需要,部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制,近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。
(2IGBT等逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大,总容量占的比例不
还是在一些性能较低的传动现场使用
2变频调速的条件
三相异步电动机定子绕组的反电动势E 1的表达式为:E 1=4.44ƒ1N 1K N1Φm =U 1+△U
式中:E 1——定子绕组的感应电动势有效值
N 1 ——定子每相绕组的匝数
K N1——定子绕组的绕组系数,K N1<1
ƒ1 ——定子绕组感应电动势的频率,即电源的频率
3改善工作环境电梯、中央空调
注:并不是所有的设备使用调速装置后都可以节能
调速系统构成
中间传动机构
交流电源输入
终端机械
交流电机
直流调速装置
直流输出
皮带轮、齿轮箱等风机、泵等
直流电机
交流调速装置
交流输出
执行机构
变频器
交、直流调速系统的特点
直流调速系统特点:
●控制对象:直流电动机
●控制原理简单,一种调速方式●性能优良,对硬件要求不高●电机有换向电刷(换向火化●电机设计功率受限
大,但台数多,增长快,应用范围从单机扩展到全生产线,从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产,其中合资企业占很大比重。
(3负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电
站的机组起动,大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造,目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套,自行开发的控制装置只有模拟式的,数字装置需进口,自己开发应用软件。
直接转矩控制变频器
直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。它是利用空间电压矢量PWM(SVPWM通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。直接转矩控制还可用于普通的PWM控制,实行开环或闭环控制。
4按功能分类
恒转矩变频器
恒转矩变频器控制的对象具有恒转矩特性,在转速精度及动态性能等方面要求一般不高,当用变频器实现恒转矩调速时,必须加大电动机和变频器的容量,以提高低速转矩。恒转矩变频器主要应用于挤压机、搅拌机、传送带、提升机等。
电流型变频器输出交流电流是矩形波或阶梯波,电压波形接近于正弦波
中间环节是电感很大的电抗器滤
波,电源阻抗很大,直流环节中
的电流I D可近似于恒定,逆变器
输出电流随之恒定,相当于理想
的电流源,称为交-直-交电流
型变频器。
3按控制方式分类
电压频率比控制变频器
电压频率比控制是为了得到理想的转矩—速度特性,基于在改变电源频率进行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的,通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
8.1.5变频调速原理
1交流异步电动机变频调速原理由异步电动机的转速公式:
1
16011f n n (s (s
p
=-=-可知,异步电动机有下列三种基本调速方法:
(1改变定子极对数调速。
p (2改变电源频率调速。
1f (3改变转差率
调速。
s
调速方式名称控制对象特点
变极调速
交流异步电动机有级调速,系统简单,最多4段速
平方转矩变频器
平方转矩变频器控制的对象,在过载能力方面要求较低,由于负载转矩与转速的平方成正比,所以低速运行时负载较轻,并有节能的效果。平方转矩变频器主要应用于风机、泵类。
5按用途分类
通用变频器
通用变频器是指能与普通的笼型异步电动机配套使用,能适应各种不同性质的负载,并具有多种可供选择功能的变频器。
高性能专用变频器
高性能专用变频器主要应用于对电动机的控制要求较高的系统,与通用变频器相比,高性能专用变频器大多数采用矢量控制方式,驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机。
高频变频器
在超精密加工和高性能机械中,常常要用到高速电动机,为了满足这些高速电动机的驱动要求,出现了采用PAM控制方式的高频变频器,其输出频率可达到3 kHz。
序号优点
1平滑软启动,降低启动冲击电流,减少变压器占有量,确保电机安全
2在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度
3无级调速,调速精度大大提高
4电机正反向无需通过接触器切换
5非常方便接入通讯网络控制,实现生产自动化控制
8.1.2变频调速的发展历程
电机控制算法
电力电子
器件
V/F控制
SCR GTR
●电机易损坏,不适应恶劣现场●需定期维护交流调速系统特点:
●控制对象:交流电动机
●控制原理复杂,有多种调速方式●性能较差,对硬件要求较高
●电机无电刷,无换向火化问题●电机功率设计不受限
●电机不易损坏,适应恶劣现场●基本免维护
国内调速技术现状
(1晶闸管交流器和开关断器件(DJT、IGBT、VDMOS斩波器供电的直流调速设备。
交-直-交变频器主要有3种结构形式
调压和调频分别在两个环节上,
由控制电路进行协调,但电网侧
的功率因数低,输出谐波大。
整流环节采用不可控
整流,增设斩波器进行
调压,再用逆变器变频
,克服了功率因数低的缺
点,输出谐波仍大。
调压和调频都在逆变器上
进行,输出电压是一系列
脉冲,调节脉冲宽度就可
以调节输出电压值,是最
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可以改变输出频率。
SPWM(Sinusoidal PWM正弦波脉宽调制型,SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。SPWM控制技术的思想来源于通信领域,现已广泛应用于变频技术领域。
样的转子电流下,电磁转矩T ↓,电动机的负载能力下降,电动机的容量得不到充分利用。
因此,为维持电动机的输出转矩不变,必须使主磁通Φ
m
=const,即
U1ƒ1= const
E 1
ƒ
1
=
结论:变频调速的条件是主磁通Φ
m
保持不变
3基频以下恒磁通(恒转矩变频调速
Φ
m ∝
U1
ƒ
1
= const
E 1
ƒ
1
=
为保持主磁通不变,必须在变频的同时变压,使得压频比为一常数。因为变频的同时还要改变电压,所以称为V/F控制,也称为VVVF。
变频器性能大幅提升
大批量使用,取代直流算法优化
更大容量
更高开关频率
PWM技术空间电压矢量
调制技术
变频器体
积缩小,
开始在中
小功率电
机上使用
8.1.3变频调速技术的发展趋势
1实现变频器的人工智能化;
2开发清洁电能的变频器;
3实现软开关化;
4实现变频器硬件的集成化;
5实现变频器的通信网络化和技术规格标准化。
脉冲,很显然这些脉冲宽度相等,都等于π/N,但幅值
转差频率控制变频器
转差频率控制方式是对电压频率比控制的一种改进,这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速,构成速度闭环,速度调节器的输出为转差频率,而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。
矢量控制变频器
矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式,是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位,以便对电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的目的。无速度传感器的矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制,然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽,启动转矩大,工作可靠,操作方便,但计算比较复杂,一般需要专门的处理器来进行计算。