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变频技术的四个发展方向
发布时间:2022-5-23 16:59:00   来源:杭州三科变频技术有限公司   人气值:

变频调速装置技术的发展可以从以下四个方面来概括。


一、电力电子器件的更新


从晶闸管半控器件到GTR全控器件,逆变器的输出波形从交流方波发展到脉宽调制波形,大大降低了谐波分量,拓宽了异步电动机的变频调速范围,降低了转矩的纹波幅度。但GTR的工作频率一般在2kHz以下,载波频率和最小脉宽有限,难以获得理想的正弦波脉宽调制波形,使得异步电机在变频调速时产生噪声。?


IGBT的工作频率可以在10到20千赫之间。与GTR相比,IGBT的工作频率高一个数量级,电压和电流指标已超过GTR。由于提高了逆变器的载波频率,可以形成特定的PWM波形,异步电机变频调速器的谐波噪声大大降低。?


智能功率模块是一种功率集成器件,以IGBT为开关器件,包含驱动电路和保护电路。IPM的保护功能包括过流、短路、欠压、过压和过热等。还可以实现再生制动。由IPM构成的逆变器只需要向桥臂上的每个IGBT提供隔离的PWM信号。变频器(VFD通过简单的外部电路和控制电路的集成,大大缩小了体积。另外,由于功率开关器件的故障检测和保护电路靠近故障点,可以抑制故障的扩大,保证器件的可靠运行。

二、控制策略的制定?


第一代VFD采用恒压频比控制方式,根据异步电机等效电路确定的线性度进行变频调速。电压是指基波的有效值。改变U/f只能调节电机的稳态磁通和转矩,不能动态控制。为了提高电机在低频时产生的转矩,通常采用升高电压,随负载变化补偿定子绕组压降的方法,可将变频调速范围拓宽到20∶1左右。


二代VFD的主要特点是矢量控制方式,参考了DC电机的控制方式,将异步电机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量和转矩分量。首先要控制励磁,所以矢量控制也叫磁场定向控制。至于扭矩的控制,是间接的。矢量控制的主要缺点是复杂的坐标变换运算和需要检测速度信号。因此,进一步提出了一种无速度传感器矢量控制方法,该方法根据异步电动机的实际相电压和相电流以及定子和转子绕组的参数计算出观测速度,从而实现磁场定向的矢量控制。由于观测速度的精度受计算参数与电机实际运行参数之间偏差的影响,所以无速度传感器的矢量控制的速度控制精度和范围低于有速度编码器的矢量控制方案。一般前者的调速精度为1%,输出额定转矩时最低频率只能达到1Hz左右,而后者的调速精度为0.01%,最低频率为0.1Hz?


与矢量控制并行的还有直接转矩控制,以异步电机的转矩为被控变量,加强转矩的直接控制效果,不刻意追求输出电流为正弦。异步电机的直接转矩控制是在定子坐标系上直接计算磁链和转矩的大小,并直接跟踪调整以获得快速的动态响应,其响应速度可以小到1 ~ 2 ms,从转矩控制的要求来看,磁链有一点误差,不会对转矩控制性能产生显著影响。这种控制方法的优点是对电机参数的变化不敏感。


近年来,不依赖于电机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能控制方法被引入交流调速系统,成为交流调速理论和控制技术的一个新的研究和发展方向。


三、数字微处理器的应用


数字控制器处理信息的能力大大提高,采用微机控制器解决了许多难以实现的复杂控制。没有微型计算机的支持,高性能的矢量控制系统是无法真正实现的。此外,微机控制技术为交流调速系统增加了各种功能,特别是故障诊断技术已经完全实现。?


微机控制技术和大规模集成电路的应用,提高了交流调速系统运行和整定的可靠性、通用性和灵活性,降低了变频调速装置的成本和体积。


以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。交流调速系统用微处理器的发展简述如下:


3.1单片机?


3.2数字信号处理器(DSP)?


为了提高运算速度,20世纪80年代初出现了数字信号处理器,并采取了一系列措施来提高运算速度,包括集成硬件乘法器、提高时钟频率和支持浮点运算。近年来,将DSP做成磁芯,将PWM发生器和A/D转换器集成在一个芯片上,成为速度快、功率大的32位单片机,应用日益广泛。?


3.3精简指令集计算机?


RISC在1986年左右问世。它是由控制器、PWM、A/D等组成的芯片。它是计算机体系结构的突破,使微处理器的性能有了质的飞跃。微处理器的进步往往依赖于改进VLSI(超大规模集成电路)硬件技术来提高时钟频率和微处理器速度。RISC侧重于经常使用的基本指令的执行效率,依靠硬件和软件的优化组合来提高速度。在RISC中,将运算复杂但用处不大的指令丢弃,节省这些指令占用的硬件资源,以提高简单指令的运行速度。RISC自诞生以来,经过10多年的发展,其工作速度已经从2~3M IPS提高到1000MIPS。?


3.4高级ASIC?


ASIC又称适合特定应用的IC,是专用芯片的标准单元、内部门阵列结合门阵列、用作程序的可编程逻辑阵列的结构。能够执行特定功能的主ASIC已经商业化很长时间了。例如,用于交流电压转换的SPWM波形发生器包括HEF4752和SLE4520。ASIC的功能远不止一个发电机,它往往可以包含一个特定的控制系统,比如德国IAM公司IAM1994年推出的VECON,它是交流伺服系统的单片矢量控制器。DSP协处理器,PWM定时器,以及其他可以完成矢量运算的外围和接口电路都集成在一个芯片上,大大提高了可靠性。


四、功能整合?


新一代VFD在强大的微处理器支持下,不仅可以完成电机变频控制的基本功能,还内置了可编程、参数识别、通讯等功能。比如:?


4.1自动加减速?


VFD可实现模糊最优加减速,根据电机负载状态自动设定最短加减速时间;或者在设定的最短加减速时间内,限制加速电流,将减速DC过电压控制在允许值内。


4.2程序运行?


VFD您可以根据预设的速度值和运行时间执行多个程序运行。比如每个路段的运行时间、加减速时间、正反向都可以提前设置。?


4.3节能操作?


VFD能自动选择输出电压使电机运行在最小电流状态,使电机损耗最低,其效率在原来节能的基础上提高3%。?


4.4电机参数识别?


无速度传感器矢量控制VFD需要根据电机参数计算观测速度。一般来说,制造商预先设置VFD电源的标准电机参数,或者用户可以采用新的方式设置所有电机的参数。新的VFD还可以自动识别电机的参数,并在第一次试运行时按照规定的程序打印出来。从而拓宽了VFD的应用范围,使用方便。?


4.5沟通与反馈功能?


新的VFD一般配有RS232/422/485通信接口,可以实现上位机与VFD的1对1或1对多的通信功能,可以发布上位机的运行指令或上传VFD的运行状态。需要高精度控制时,可以选择编码器,将速度反馈信号反馈到VFD形成闭环系统。VFD的通讯功能对于不同的厂商有不同的形式。完善的软件功能和标准的通信协议使灵活的系统配置成为可能,形成一个现场总线系统,其中VFD作为通信从站和传输执行机构。?


五、结束语?


交流调速技术的发展历程表明,现代工业生产和社会发展的需要推动了交流调速的快速发展。现代控制理论、电力电子技术、微机控制技术和大规模集成电路的发展和应用,为交流调速的迅速发展创造了技术和物质条件。


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