從變頻技術(shù)的幾種控制方式談?wù){(diào)速系統(tǒng)變頻器的選擇
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代調(diào)速控制理論的長足進(jìn)步，變頻器不僅用于一般性能的節(jié)能調(diào)速控制，而且已經(jīng)用于高性能、高轉(zhuǎn)速、大容量調(diào)速控制方面，變頻器普遍的被冶金、機(jī)械、鋼鐵、紡織、造紙等企業(yè)選用。如何在不同的領(lǐng)域中選擇比較佳的變頻器已經(jīng)成為工業(yè)應(yīng)用中的首要話題。
2 變頻器的發(fā)展概況和過程
(1) 發(fā)展概況
交流傳動與控制技術(shù)是目前發(fā)展比較為迅速的技術(shù)之一。這是與電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)、控制技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)的。變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了晶閘管(SCR)，60年代出現(xiàn)了門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，70年代出現(xiàn)了高功率晶閘管(GTR)和金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)，80年代相繼出現(xiàn)了絕緣雙級型晶閘管(IGBT)和集成門極換流晶閘管(IGCT)，90年代出現(xiàn)了智能功率模塊(IPM)。器件的更新促使電力變流技術(shù)的不斷發(fā)展，只要電力電子器件有了新的飛躍，變頻器就一定有一個新的飛躍，必定有新的變頻器出現(xiàn)。
(2) 發(fā)展過程
自20世紀(jì)80年代初通用變頻器問世以來，通用變頻器更新?lián)Q代了五次:第一代是80年代初的模擬通用變頻器，第二代是80年代中期的數(shù)字式通用變頻器，第三代是90年代初的智能型通用變頻器，第四代是90年代中期的多功能通用變頻器，本世紀(jì)研制上市第五代集中型通用變頻器。
3 變頻器的控制方式
變頻器對電動機(jī)進(jìn)行控制是根據(jù)電動機(jī)的特性參數(shù)及電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，進(jìn)行對電動機(jī)提供電壓、電流、頻率進(jìn)行控制達(dá)到負(fù)載的要求。因此就是變頻器的主電路一樣，逆變器件也相同，單片機(jī)位數(shù)也一樣，只是控制方式不一樣，其控制效果是不一樣的。所以控制方式是很重要的。它代表變頻器的水平。目前變頻器對電動機(jī)的控制方式大體可分為U/f恒定控制; 轉(zhuǎn)差頻率控制; 矢量控制; 直接轉(zhuǎn)矩控制; 非線性控制; 自適應(yīng)控制; 滑模變結(jié)構(gòu)控制; 智能控制。前四種已獲得成功應(yīng)用，并有商品化產(chǎn)品。本文只討論前四種控制方式。
(1) U/f恒定控制
U/f控制是在改變電動機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電動機(jī)電源的電壓，使電動機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機(jī)的效率，功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷?Voltage)與頻率(Frequency)之比，稱為U/f控制。恒定U/f控制存在的主要問題是低速性能較差，轉(zhuǎn)速極低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服較大的靜摩擦力，不能恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化; 其次是無法準(zhǔn)確的控制電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。由于恒U/f變頻器是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，由異步電動機(jī)的機(jī)械特性圖可知，設(shè)定值為定子頻率也就是理想空載轉(zhuǎn)速，而電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)差率所決定，所以U/f恒定控制方式存在的穩(wěn)定誤差不能控制，故無法準(zhǔn)確控制電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。
(2) 轉(zhuǎn)差頻率控制
轉(zhuǎn)差頻率是施加于電動機(jī)的交流電源頻率與電動機(jī)速度的差頻率。根據(jù)異步電動機(jī)穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型可知，當(dāng)頻率一定時(shí)，異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率，機(jī)械特性為直線。
轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流。轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動機(jī)速度與轉(zhuǎn)差頻率之和作為變頻器的給定頻率。與U/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，它有速度調(diào)節(jié)器，利用速度反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小。然而要達(dá)到自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制，還達(dá)不到良好的動態(tài)性能。
(3) 矢量控制
矢量控制，也稱磁場定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電機(jī)和交流電機(jī)比較的方法闡述了這一原理。由此開創(chuàng)了交流電動機(jī)和等效直流電動機(jī)的先河。矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic。通過三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1、Ib1，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(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流; It1相當(dāng)于直流電動機(jī)的電樞電流)，然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。矢量控制方法的出現(xiàn)，使異步電動機(jī)變頻調(diào)速在電動機(jī)的調(diào)速領(lǐng)域里全方位的處于優(yōu)勢地位。但是，矢量控制技術(shù)需要對電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行正確估算，如何提高參數(shù)的準(zhǔn)確性是一直研究的話題。
(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制
1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，該技術(shù)在很大程度上解決了矢量控制的不足，它不是通過控制電流，磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于:轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息，控制上對除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好;所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的實(shí)現(xiàn)無速度傳感器，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。
4 調(diào)速系統(tǒng)變頻器的選擇
(1) 風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載
在過載能力方面要求較低，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度的平方成反比，所以低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載較輕(羅茨風(fēng)機(jī)除外)，又因?yàn)檫@類負(fù)載對轉(zhuǎn)速精度沒有什么要求，故選型時(shí)通常以價(jià)廉為主要原則，選擇普通功能型變頻器。
(2) 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
多數(shù)負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性，但在轉(zhuǎn)速精度及動態(tài)性能等方面要求一般不高，例如擠壓機(jī)，攪拌機(jī)，傳送帶，廠內(nèi)運(yùn)輸電車，吊車的平移機(jī)構(gòu)，吊車的提升機(jī)構(gòu)和提升機(jī)等。選型時(shí)可選V/f控制方式的變頻器，但是比較好采用具有恒轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器。
(3) 要求響應(yīng)快的系統(tǒng)
所謂響應(yīng)快是指實(shí)際轉(zhuǎn)速對于轉(zhuǎn)速指令的變化跟蹤得快，從負(fù)載變動等急劇外界干擾引起的過渡性速度變化中恢復(fù)得快。要求響應(yīng)快的典型負(fù)載有軋鋼機(jī)、生產(chǎn)線設(shè)備、機(jī)床主軸、六角孔沖床等。要使變頻器主電路能力充分發(fā)揮加減速特性，比較好選用轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器。
(4) 被控對象具有一定的動態(tài)，靜態(tài)指標(biāo)要求。
這類負(fù)載一般要求低速時(shí)有較硬的機(jī)械特性，才能滿足生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)要求，如果控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，可選用具有無速度反饋的矢量控制功能的變頻器。
(5) 被控對象具有較高的動態(tài), 靜態(tài)指標(biāo)要求。
對于調(diào)速精度和動態(tài)性能指標(biāo)都有較高要求，以及要求高精度同步運(yùn)行等場合，可選用帶速度反饋的矢量控制方式的變頻器。如果控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，可選用能夠四象限運(yùn)行，U/f控制方式，具有恒轉(zhuǎn)矩功能型變頻器。例如軋鋼，造紙，塑料薄膜加工生產(chǎn)線。這一類對動態(tài)性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械，采用矢量控制的高性能變頻器。
(6) 要求控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)，靜態(tài)性能。
例如電力機(jī)車，交流伺服系統(tǒng)，電梯，起重機(jī)等領(lǐng)域，可選用具有直接轉(zhuǎn)矩控制功能的專用變頻器。
5 結(jié)束語
由于被控對象的千差萬別，性能指標(biāo)要求的各不相同，變頻器的選擇及配置遠(yuǎn)不如上述所列幾種。要做到熟練應(yīng)用還應(yīng)在工程實(shí)踐中認(rèn)真探索。
變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平，在工程應(yīng)用中根據(jù)不同的負(fù)載及不同控制要求，合理選擇變頻器以達(dá)到資源的比較佳配置，具有重要的意義。
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