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變頻技術的四個發展方向
發布時間:2022-5-23 16:59:00   來源:杭州三科變頻技術有限公司   人氣值:

變頻調速裝置技術的發展可以從以下四個方面來概括。


一、電力電子器件的更新


從晶閘管半控器件到GTR全控器件,逆變器的輸出波形從交流方波發展到脈寬調制波形,大大降低了諧波分量,拓寬了異步電動機的變頻調速范圍,降低了轉矩的紋波幅度。但GTR的工作頻率一般在2kHz以下,載波頻率和最小脈寬有限,難以獲得理想的正弦波脈寬調制波形,使得異步電機在變頻調速時產生噪聲。?


IGBT的工作頻率可以在10到20千赫之間。與GTR相比,IGBT的工作頻率高一個數量級,電壓和電流指標已超過GTR。由于提高了逆變器的載波頻率,可以形成特定的PWM波形,異步電機變頻調速器的諧波噪聲大大降低。?


智能功率模塊是一種功率集成器件,以IGBT為開關器件,包含驅動電路和保護電路。IPM的保護功能包括過流、短路、欠壓、過壓和過熱等。還可以實現再生制動。由IPM構成的逆變器只需要向橋臂上的每個IGBT提供隔離的PWM信號。變頻器(VFD通過簡單的外部電路和控制電路的集成,大大縮小了體積。另外,由于功率開關器件的故障檢測和保護電路靠近故障點,可以抑制故障的擴大,保證器件的可靠運行。

二、控制策略的制定?


第一代VFD采用恒壓頻比控制方式,根據異步電機等效電路確定的線性度進行變頻調速。電壓是指基波的有效值。改變U/f只能調節電機的穩態磁通和轉矩,不能動態控制。為了提高電機在低頻時產生的轉矩,通常采用升高電壓,隨負載變化補償定子繞組壓降的方法,可將變頻調速范圍拓寬到20∶1左右。


二代VFD的主要特點是矢量控制方式,參考了DC電機的控制方式,將異步電機的定子電流空間矢量分解為轉子勵磁分量和轉矩分量。首先要控制勵磁,所以矢量控制也叫磁場定向控制。至于扭矩的控制,是間接的。矢量控制的主要缺點是復雜的坐標變換運算和需要檢測速度信號。因此,進一步提出了一種無速度傳感器矢量控制方法,該方法根據異步電動機的實際相電壓和相電流以及定子和轉子繞組的參數計算出觀測速度,從而實現磁場定向的矢量控制。由于觀測速度的精度受計算參數與電機實際運行參數之間偏差的影響,所以無速度傳感器的矢量控制的速度控制精度和范圍低于有速度編碼器的矢量控制方案。一般前者的調速精度為1%,輸出額定轉矩時最低頻率只能達到1Hz左右,而后者的調速精度為0.01%,最低頻率為0.1Hz?


與矢量控制并行的還有直接轉矩控制,以異步電機的轉矩為被控變量,加強轉矩的直接控制效果,不刻意追求輸出電流為正弦。異步電機的直接轉矩控制是在定子坐標系上直接計算磁鏈和轉矩的大小,并直接跟蹤調整以獲得快速的動態響應,其響應速度可以小到1 ~ 2 ms,從轉矩控制的要求來看,磁鏈有一點誤差,不會對轉矩控制性能產生顯著影響。這種控制方法的優點是對電機參數的變化不敏感。


近年來,不依賴于電機模型的模糊自尋優控制、人工神經網絡等智能控制方法被引入交流調速系統,成為交流調速理論和控制技術的一個新的研究和發展方向。


三、數字微處理器的應用


數字控制器處理信息的能力大大提高,采用微機控制器解決了許多難以實現的復雜控制。沒有微型計算機的支持,高性能的矢量控制系統是無法真正實現的。此外,微機控制技術為交流調速系統增加了各種功能,特別是故障診斷技術已經完全實現。?


微機控制技術和大規模集成電路的應用,提高了交流調速系統運行和整定的可靠性、通用性和靈活性,降低了變頻調速裝置的成本和體積。


以微處理器為核心的數字控制已成為現代交流調速系統的主要特征之一。交流調速系統用微處理器的發展簡述如下:


3.1單片機?


3.2數字信號處理器(DSP)?


為了提高運算速度,20世紀80年代初出現了數字信號處理器,并采取了一系列措施來提高運算速度,包括集成硬件乘法器、提高時鐘頻率和支持浮點運算。近年來,將DSP做成磁芯,將PWM發生器和A/D轉換器集成在一個芯片上,成為速度快、功率大的32位單片機,應用日益廣泛。?


3.3精簡指令集計算機?


RISC在1986年左右問世。它是由控制器、PWM、A/D等組成的芯片。它是計算機體系結構的突破,使微處理器的性能有了質的飛躍。微處理器的進步往往依賴于改進VLSI(超大規模集成電路)硬件技術來提高時鐘頻率和微處理器速度。RISC側重于經常使用的基本指令的執行效率,依靠硬件和軟件的優化組合來提高速度。在RISC中,將運算復雜但用處不大的指令丟棄,節省這些指令占用的硬件資源,以提高簡單指令的運行速度。RISC自誕生以來,經過10多年的發展,其工作速度已經從2~3M IPS提高到1000MIPS。?


3.4高級ASIC?


ASIC又稱適合特定應用的IC,是專用芯片的標準單元、內部門陣列結合門陣列、用作程序的可編程邏輯陣列的結構。能夠執行特定功能的主ASIC已經商業化很長時間了。例如,用于交流電壓轉換的SPWM波形發生器包括HEF4752和SLE4520。ASIC的功能遠不止一個發電機,它往往可以包含一個特定的控制系統,比如德國IAM公司IAM1994年推出的VECON,它是交流伺服系統的單片矢量控制器。DSP協處理器,PWM定時器,以及其他可以完成矢量運算的外圍和接口電路都集成在一個芯片上,大大提高了可靠性。


四、功能整合?


新一代VFD在強大的微處理器支持下,不僅可以完成電機變頻控制的基本功能,還內置了可編程、參數識別、通訊等功能。比如:?


4.1自動加減速?


VFD可實現模糊最優加減速,根據電機負載狀態自動設定最短加減速時間;或者在設定的最短加減速時間內,限制加速電流,將減速DC過電壓控制在允許值內。


4.2程序運行?


VFD您可以根據預設的速度值和運行時間執行多個程序運行。比如每個路段的運行時間、加減速時間、正反向都可以提前設置。?


4.3節能操作?


VFD能自動選擇輸出電壓使電機運行在最小電流狀態,使電機損耗最低,其效率在原來節能的基礎上提高3%。?


4.4電機參數識別?


無速度傳感器矢量控制VFD需要根據電機參數計算觀測速度。一般來說,制造商預先設置VFD電源的標準電機參數,或者用戶可以采用新的方式設置所有電機的參數。新的VFD還可以自動識別電機的參數,并在第一次試運行時按照規定的程序打印出來。從而拓寬了VFD的應用范圍,使用方便。?


4.5溝通與反饋功能?


新的VFD一般配有RS232/422/485通信接口,可以實現上位機與VFD的1對1或1對多的通信功能,可以發布上位機的運行指令或上傳VFD的運行狀態。需要高精度控制時,可以選擇編碼器,將速度反饋信號反饋到VFD形成閉環系統。VFD的通訊功能對于不同的廠商有不同的形式。完善的軟件功能和標準的通信協議使靈活的系統配置成為可能,形成一個現場總線系統,其中VFD作為通信從站和傳輸執行機構。?


五、結束語?


交流調速技術的發展歷程表明,現代工業生產和社會發展的需要推動了交流調速的快速發展?,F代控制理論、電力電子技術、微機控制技術和大規模集成電路的發展和應用,為交流調速的迅速發展創造了技術和物質條件。


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