變頻器的運(yùn)動(dòng)控制

變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)正在以出人意料的方式被用于解決各種運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的挑戰(zhàn)，并幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率和成本效益。

變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)被用于控制許多機(jī)械任務(wù)以及自動(dòng)化的機(jī)器人，涵蓋了從制造、加工工廠到倉(cāng)庫(kù)及其他物流設(shè)施等應(yīng)用領(lǐng)域。

無(wú)論在物料搬運(yùn)、機(jī)械加工，還是泵及風(fēng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，變頻器都是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇，可以幫助企業(yè)優(yōu)化性能、減少能耗并永久降低機(jī)器和機(jī)器人的生命周期成本。變頻器可用于基本的電壓模式范圍內(nèi)，以及運(yùn)行在三相供電情況下的230V、480V或者600V電機(jī)。變頻器的選擇要依據(jù)電機(jī)類型、電壓、額定電流、接入電源、以及輸入/輸出（I/O）的要求而定。其大小取決于一系列與應(yīng)用相關(guān)的因素，包括電機(jī)的滿負(fù)荷額定功率和滿負(fù)荷狀態(tài)下的最大電壓。

在最基本的變頻器應(yīng)用中，通過(guò)調(diào)節(jié)接入電動(dòng)機(jī)的電源的頻率和電壓，使操作人員可以將電機(jī)的速度和負(fù)載要求匹配起來(lái)。對(duì)于特定的應(yīng)用，可以使電機(jī)運(yùn)行在最高效的速度上，并且減少能源消耗。

變頻器為有創(chuàng)造力的OEM行業(yè)和最終用戶帶來(lái)了大量可實(shí)現(xiàn)的潛在效率。更新的使用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的方式有助于解決特定的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的挑戰(zhàn)，并使其更加經(jīng)濟(jì)、利潤(rùn)更高。

運(yùn)動(dòng)控制具有明顯的時(shí)代特點(diǎn)，它是多種高新技術(shù)的綜合，用來(lái)將工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化推向更高階段。目前的運(yùn)動(dòng)控制主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)、控制器三部分組成。

變頻器的核心是電力電子器件及控制方式。

1）電力電子器件 電力電子器件就是在電路中起通斷作用并實(shí)現(xiàn)各種變流的器件，變頻器就是這種變流的裝置，因此它是隨著逆變器件的發(fā)展而發(fā)展，逆變器件的好壞就要看它的通斷能力，承受通斷的電流和額定電壓；在通斷過(guò)程中損耗的大小如飽和壓降和開(kāi)關(guān)損耗就決定了變頻器的效率和體積大?。婚_(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)；開(kāi)關(guān)頻率與噪聲有關(guān)，而且與輸出電壓、電流波形有關(guān)。就是說(shuō)電力電子器件要朝著電壓高、電流大、開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通壓降小的方向發(fā)展。晶閘管是半控器件，屬于第一代產(chǎn)品，但調(diào)制頻率低、控制復(fù)雜、效率低、容量大、電壓高、歷史悠久，不管是用作整流還是用作逆變，都是比較成熟的。

全控器件GTO晶閘管和BJT，不管是組裝直流斬波器還是組裝變頻器，GTO晶閘管在電力機(jī)車上的應(yīng)用具有壟斷性。這也是我國(guó)“八五”期間組織攻關(guān)的重大科研課題。但是將GTO晶閘管變頻器用于其他地方，爭(zhēng)議較大，原因是GTO晶閘管的關(guān)斷電流增益太小，過(guò)電流保護(hù)比較困難，調(diào)制頻率低。用BJT組裝的直流斬波器和PWM變頻器十分流行，但輸出電壓不超過(guò)460V，容量不超過(guò)400kW。BJT是電流驅(qū)動(dòng)，功耗大，調(diào)制頻率也不高，噪聲還大，不如MOSFET的電壓驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、可靠。但后者容量更小，輸出電壓也更低，在市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品并不多。

在運(yùn)動(dòng)控制中，新一代的電力電子器件是IGBT和MCT：前者是MOS驅(qū)動(dòng)BJT，優(yōu)點(diǎn)是容量和電壓都超過(guò)了BJT，有取而代之的趨勢(shì)；后者M(jìn)OS驅(qū)動(dòng)晶閘管，理論上具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。這兩種新型器件都有成熟的產(chǎn)品，IGBT已發(fā)展到第四代，而且目前國(guó)外正在將微電子的生產(chǎn)工藝向電力電子轉(zhuǎn)移，于是產(chǎn)生了專用集成電路（ SPIC）。把IGBT的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路復(fù)合在一起的智能器件叫IPM，還有把開(kāi)關(guān)電源復(fù)合在一起的IPM，這樣使變頻器更加可靠，已經(jīng)成為調(diào)速的主導(dǎo)產(chǎn)品，將取代直流調(diào)速，21世紀(jì)將是交流調(diào)速時(shí)代。

2）控制方式 變頻器用不同的控制方式，得到的調(diào)速性能、特性及用途是不同的?？刂品绞酱篌w分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制有U/f（電壓與頻率）成正比例的控制方式；閉環(huán)有轉(zhuǎn)差頻率控制和各種矢量控制。從發(fā)展歷史來(lái)看，也是從開(kāi)環(huán)到閉環(huán)，如今的矢量控制可以實(shí)現(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)電樞電流控制相媲美?，F(xiàn)在還可直接取交流電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，這樣控制就方便準(zhǔn)確、精度高。

運(yùn)動(dòng)控制中主要是電動(dòng)機(jī)，但又不完全是人們熟知的電動(dòng)機(jī)，這里有很多新概念，值得人去重視。

電力電子器件從交流電變?yōu)橹绷?u>電容易，從直流電變?yōu)榻涣麟娎щy。電力電子器件串聯(lián)、并聯(lián)也有一定的困難，因此希望電動(dòng)機(jī)的電壓和相數(shù)都要和器件密切配合，綜合設(shè)計(jì)，統(tǒng)一考慮，不要困于原來(lái)的傳統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)。

近幾年來(lái)，同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制中升為一顆新星，21屆IEEE國(guó)際電力電子會(huì)議曾討論過(guò)“永磁或磁阻電動(dòng)機(jī)是否將取代異步電動(dòng)機(jī)在變速傳動(dòng)中應(yīng)用”的問(wèn)題，永磁同步電動(dòng)機(jī)采用自控后，雖然增加了轉(zhuǎn)子位置反饋環(huán)節(jié)，但去掉了起動(dòng)繞組，擺脫了起動(dòng)和牽人造成的設(shè)計(jì)和運(yùn)行上的困難。永磁同步電動(dòng)機(jī)可以是自然解耦的，電磁時(shí)間常數(shù)也較小，控制性能已經(jīng)優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)，在伺服系統(tǒng)中取得了盟主地位。另外我國(guó)是稀土大國(guó)，應(yīng)該在永磁同步電動(dòng)機(jī)的研制上取得領(lǐng)先地位。