變頻器技術(shù)及發(fā)展?fàn)顩r-2019年文檔

1、變頻器技術(shù)及發(fā)展?fàn)顩r變頻器是把工頻電源 （50Hz 或 60Hz） 變換成各種頻率的交流 電源,以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備 , 其中控制電路完成對(duì)主電 路的控制 , 整流電路將交流電變換成直流電 ,直流中間電路對(duì)整 流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波 , 逆變電路將直流電再逆成交流電。一、變頻器基礎(chǔ) 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。 20 世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了 SCR晶閘管）、GTO門(mén)極可關(guān) 斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET金屬氧化物場(chǎng)效 應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS 控制晶體管）、MCT（MO控制晶閘管）、

2、IGBT（絕緣柵雙極型晶體 管）、HVIGBT耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過(guò)程，器件的更 新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始 , 脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM-VVVF調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWMI式優(yōu)化問(wèn)題吸引著 人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWMI式 效果最佳。 20 世紀(jì) 80 年代后半期開(kāi)始 , 美、日、德、英等發(fā)達(dá) 國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)用。變頻器的分類(lèi)方法有多種 , 按照主電路工作方式分類(lèi) , 可以 分為電壓型變頻器和電流型變頻器 ; 按照開(kāi)關(guān)方式分類(lèi) , 可以分 為

3、PAM空制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻 PWM控制變頻器； 按照工作原理分類(lèi) , 可以分為 V/F 控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變 頻器和矢量控制變頻器等 ; 按照用途分類(lèi) , 可以分為通用變頻器、 高性能專(zhuān)用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。二、變頻器的工作原理 交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 :n=60f(1-s)/p, 式中 : n異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f 異步電動(dòng)機(jī)的頻率 ;s電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。由式可知 , 轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比 , 只要改變頻率 f 即可改變 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,當(dāng)頻率f在050Hz的范圍內(nèi)變化時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)范圍非常寬。 變頻器就是通過(guò)改變電

4、動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度 調(diào)節(jié)的 , 是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。三、變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為 380650V, 輸出功率為 0.75 400kW,工作頻率為0400Hz,它的主電路都采用交一直一交電 路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。1. U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM控制方式其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低 , 機(jī)械特性硬度也較 好, 能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求 , 已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用。但是 , 這種控制方式在低頻時(shí) , 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(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬 , 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)

5、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(xiàn)會(huì)隨負(fù)載的 變化而變化 , 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、 電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高 , 低速時(shí)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。2. 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(jī)氣隙的理 想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的 , 一次生成三相調(diào)制波形 , 以?xún)?nèi)切多 邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn) , 即引 入頻率補(bǔ)償 , 能消除速度控制的誤差 ; 通過(guò)反饋估算磁鏈幅值 , 消 除低速時(shí)定子電阻的影響 ; 將輸出電壓、 電流閉環(huán) , 以提高動(dòng)態(tài)的 精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多,

6、 且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié) ,所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。3. 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(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下 的定子電流 Ia 、Ib 、Ic 、通過(guò)三相 -二相變換 ,等效成兩相靜止 坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1Ib1, 再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流 ;It1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 ）, 然后 模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法 , 求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量 , 經(jīng)過(guò)相 應(yīng)的坐標(biāo)反變換 , 實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電 動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī) , 分別對(duì)速度 , 磁場(chǎng)兩個(gè)

7、分量進(jìn)行獨(dú)立控 制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈 , 然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩 個(gè)分量 , 經(jīng)坐標(biāo)變換 , 實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。 矢量控制方法的提出 具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中 , 由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確 觀(guān)測(cè) , 系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大 , 且在等效直流電動(dòng)機(jī) 控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜 , 使得實(shí)際的控制效果難以 達(dá)到理想分析的結(jié)果。4. 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式1985年, 德國(guó)魯爾大學(xué)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(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜 態(tài)性能得到了迅速發(fā)

8、展。目前 , 該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車(chē) 牽引的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分 析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 , 控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要 將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī) , 因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的 許多復(fù)雜計(jì)算 ; 它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制 , 也不需要為解 耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。5. 矩陣式交交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交一直一 交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低 , 諧波電流大 , 直流電路需要大的儲(chǔ)能電容 , 再生能量又不能反饋回電網(wǎng) , 即不 能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交一交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩 陣式交

9、交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié) , 從而省去了體積大、價(jià)格 貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 l, 輸入電流為正弦且能四 象限運(yùn)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(xué)者深入研究。 其實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體方法是 :1. 控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀(guān)測(cè)器 , 實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器方 式;2. 自動(dòng)識(shí)別 (ID) 依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型 , 對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng) 識(shí)別;3. 算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算 出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 ;4. 實(shí)現(xiàn)Ba nd Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的

10、BandBand控制產(chǎn) 生PWM信號(hào),對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。矩陣式交交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng) (2. 變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面 :變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)低壓小容量的裝置常采用 6 脈沖變 流器 , 而對(duì)中壓大容量的裝置采用多重化 12 脈沖以上的變流器。 負(fù)載側(cè)變流器對(duì)低壓小容量裝置常采用兩電平的橋式逆變器 , 而 對(duì)中壓大容量的裝置采用多電平逆變器。 對(duì)于四象限運(yùn)行的傳動(dòng) 為實(shí)現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量 , 網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為 可逆變流器，同時(shí)出現(xiàn)了功率可雙向流動(dòng)的雙PWM變頻器,對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波 , 減少對(duì)電網(wǎng)的 公害。目前 , 低、中壓變頻器都有這

11、類(lèi)產(chǎn)品。3. 脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法可以采用正弦波脈寬調(diào) 制（SPWM控制、消除指定次數(shù)諧波的 PWM控制、電流跟蹤控制、 電壓空間矢量控制 （ 磁鏈跟蹤控制 ） 。4. 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展主要體現(xiàn)在由標(biāo)量 控制向高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展和開(kāi)發(fā)無(wú)速 度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)方面。5. 微處理器的進(jìn)步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向 : 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng) , 特別是交流電動(dòng)機(jī)高性能的控制需要 存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息。近幾年來(lái) , 國(guó)外各大公 司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控 制所需的外圍功能電路，集成在

12、單一芯片內(nèi)的稱(chēng)為 DSP單片電機(jī) 控制器 , 價(jià)格大大降低 , 體積縮小 , 結(jié)構(gòu)緊湊 , 使用便捷 , 可靠性提 高。DSP和普通的單片機(jī)相比，處理數(shù)字運(yùn)算能力增強(qiáng)1015倍, 以確保系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。數(shù)字控制使硬件簡(jiǎn)化 , 柔性的控制算法使控制具有很大的靈 活性, 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律 , 使現(xiàn)代控制理論在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí) , 易于與上層系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 , 便于故障診 斷加強(qiáng)保護(hù)和監(jiān)視功能 , 使系統(tǒng)智能化 （ 如有些變頻器具有自調(diào) 整功能 ） 。6. 交流同步電動(dòng)機(jī)已成為交流可調(diào)傳動(dòng)中的一顆新星 , 特別 是永磁同步電動(dòng)機(jī) , 電機(jī)獲得無(wú)刷結(jié)構(gòu) , 功率因數(shù)高 , 效率也高 , 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?lài)?yán)格與電源頻率保持同步。 同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有他 控變頻和自控變頻兩大類(lèi)。 自控變頻同步電機(jī)在原理上和直流電機(jī)極為相似 , 用電力電子變流器取代了直流電機(jī)的機(jī)械換向器,如采用交直交變壓變頻器時(shí)叫做“直流無(wú)換向器電機(jī)”或 稱(chēng)“無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDC)”。 傳統(tǒng)的自控變頻同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 有轉(zhuǎn)子位置傳感器 , 現(xiàn)正開(kāi)發(fā)無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)。同步電 機(jī)的他控變頻方式也可采