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變頻器的控制方式和功能作用

閱讀次數(shù):730    2024-06-11 10:41:55

一、工作原理

變頻器(Variable-frequency Drive,VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù),通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率,根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓,進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的,另外,變頻器還有很多的保護功能,如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高,變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

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二、控制方式

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。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。

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)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。

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。

矢量控制(VC)方式

矢量控制變頻調(diào)速的做法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(Im1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。

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。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。

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)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:

1、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;

2、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;

3、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;

4、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。

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三、功能作用

變頻節(jié)能

變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應(yīng)用上。風機、泵類負載采用變頻調(diào)速后,節(jié)電率為20%~60%,這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。當用戶需要的平均流量較小時,風機、泵類采用變頻調(diào)速使其轉(zhuǎn)速降低,節(jié)能效果非常明顯。而傳統(tǒng)的風機、泵類采用擋板和閥門進行流量調(diào)節(jié),電動機轉(zhuǎn)速基本不變,耗電功率變化不大。據(jù)統(tǒng)計,風機、泵類電動機用電量占全國用電量的31%,占工業(yè)用電量的50%。在此類負載上使用變頻調(diào)速裝置具有非常重要的意義。目前,應(yīng)用較成功的有恒壓供水、各類風機、中央空調(diào)和液壓泵的變頻調(diào)速。

在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用

由于變頻器內(nèi)置有32位或16位的微處理器,具有多種算術(shù)邏輯運算和智能控制功能,輸出頻率精度為0.1%~0.01%,且設(shè)置有完善的檢測、保護環(huán)節(jié),因此,在自動化系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。例如:化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導絲;玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機;電弧爐自動加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制等。變提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用頻器在數(shù)控機床控制、汽車生產(chǎn)線、造紙和電梯上的應(yīng)用。

在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用

變頻器還可以廣泛應(yīng)用于傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設(shè)備控制領(lǐng)域,它可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量,減少設(shè)備的沖擊和噪聲,延長設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速控制后,使機械系統(tǒng)簡化,操作和控制更加方便,有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范,從而提高了整個設(shè)備的功能。例如,紡織和許多行業(yè)用的定型機,機內(nèi)溫度是靠改變送入熱風的多少來調(diào)節(jié)的。輸送熱風通常用的是循環(huán)風機,由于風機速度不變,送入熱風的多少只有用風門來調(diào)節(jié)。如果風門調(diào)節(jié)失靈或調(diào)節(jié)不當就會造成定型機失控,從而影響成品質(zhì)量。循環(huán)風機高速啟動,傳動帶與軸承之間磨損非常厲害,使傳動帶變成了一種易耗品。在采用變頻調(diào)速后,溫度調(diào)節(jié)可以通過變頻器自動調(diào)節(jié)風機的速度來實現(xiàn),解決了產(chǎn)品質(zhì)量問題。此外,變頻器能夠很方便地實現(xiàn)風機在低頻低速下啟動并減少了傳動帶與軸承之間的磨損,還可以延長設(shè)備的使用壽命,同時可以節(jié)能40%。

實現(xiàn)電機軟啟動

電機硬啟動不僅會對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊,而且會對電網(wǎng)容量要求過高,啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大,對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻器后,變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始變化,最大值也不超過額定電流,減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求,延長了設(shè)備和閥門的使用壽命,同時也節(jié)省設(shè)備的維護費用。

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