變頻器的運(yùn)動(dòng)控制

變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)已被用于控制許多機(jī)械任務(wù)和自動(dòng)化機(jī)器人，涵蓋從制造、加工廠到倉(cāng)庫(kù)和其他物流設(shè)施的應(yīng)用。無(wú)論是在物料處理、機(jī)械加工，還是泵和風(fēng)機(jī)的應(yīng)用。變頻器主要作用是調(diào)整電機(jī)的功率、實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行，以達(dá)到省電的目的。

變頻器幫助企業(yè)優(yōu)化性能，降低能源消耗，永久降低機(jī)器和機(jī)器人的生命周期成本，它也有助于企業(yè)提高生產(chǎn)力和成本效率。

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。

變頻器的運(yùn)動(dòng)控制具有明顯的時(shí)代特征，它是各種高科技的結(jié)合，將工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化推向更高的階段。

一、變頻器部分

變頻器的核心是電力電子器件及控制方式。

1、電力電子部件：電力電子部件是在電路中發(fā)揮通斷作用，實(shí)現(xiàn)各種變流器的部件。而這種變流的裝置可以通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)，隨著變頻器元件的發(fā)展，變頻器元件的質(zhì)量取決于其通斷能力，通斷能力受通斷電流和額定電壓的影響。開關(guān)過(guò)程中的損耗，如飽和壓降和開關(guān)損耗，決定了逆變器的效率和體積。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率有關(guān)、開關(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GTO晶閘管在電力機(jī)車中的應(yīng)用是壟斷性的，無(wú)論是裝配直流斬波器還是裝配換能器。這也是我國(guó)八五期間的一個(gè)重大科研項(xiàng)目，但由于gto晶閘管的關(guān)斷電流增益小，過(guò)電流保護(hù)困難，調(diào)制頻率低，gto晶閘管變流器在其他地方的應(yīng)用備受爭(zhēng)議。由bjt組裝的直流斬波器和pwm變換器非常流行，但輸出電壓不大于460v，容量不大于400kw。然而，后者具有較小的容量和較低的輸出電壓，并且在市場(chǎng)上沒(méi)有很多有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

IGBT和MCT在運(yùn)動(dòng)控制中，是屬于新一代的電力電子器件：前者是摩斯驅(qū)動(dòng)的bjt，其優(yōu)點(diǎn)是容量和電壓都超過(guò)bjt，并且有取代bjt的傾向;后者M(jìn)OS驅(qū)動(dòng)晶閘管，理論上具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。這兩種新型器件有著成熟的產(chǎn)品，IGBT已發(fā)展到第四代，且目前國(guó)外已將微電子生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)向電力電子，因此產(chǎn)生了專用集成電路( SPIC )。 將IGBT的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組合而成的智能器件稱為IPM，將開關(guān)電源組合而成的IPM，變頻器更可靠，已成為調(diào)速的主導(dǎo)產(chǎn)品，取代直流調(diào)速，21世紀(jì)進(jìn)入了交流調(diào)速時(shí)代。

2、控制模式變頻器采用不同的控制模式，獲得的調(diào)速性能、特性和用途也不同。控制模式通常分為開環(huán)和閉環(huán)控制。開環(huán)控制有一個(gè)U/f(電壓和頻率)比例控制模式;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，從開環(huán)到閉環(huán)，今天的矢量控制可以與DC電機(jī)的電樞電流控制相媲美。目前，還可以直接獲取交流電機(jī)參數(shù)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，方便、準(zhǔn)確、精度高。

二、電機(jī)部分

電機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制中的主要電機(jī)，但人們并不完全了解它。這里有許多新概念，值得人們注意。

電力電子設(shè)備從交流轉(zhuǎn)換到DC很容易，從DC轉(zhuǎn)換到交流很難。電力電子設(shè)備串聯(lián)或并聯(lián)也是困難的。因此，希望電機(jī)的電壓和相數(shù)與設(shè)備緊密匹配，綜合設(shè)計(jì)，統(tǒng)一考慮，不要拘泥于原有的傳統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)。

近年來(lái)，同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制中升為新星，21屆IEEE國(guó)際電力電子會(huì)議討論過(guò)“永久磁鐵或磁阻電動(dòng)機(jī)是否能代替異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于變速傳動(dòng)”的問(wèn)題。 永磁同步電動(dòng)機(jī)采用自吸后，增加了轉(zhuǎn)子位置反饋的環(huán)節(jié)，但消除了起動(dòng)繞組，擺脫了起動(dòng)和牽引帶來(lái)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行上的困難。 永磁同步電動(dòng)機(jī)能自然解耦合，電磁時(shí)間常數(shù)小，控制性能已經(jīng)優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)，在伺服系統(tǒng)中獲得了盟主地位。 另外，中國(guó)是稀土大國(guó)，應(yīng)該在永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)中取得領(lǐng)先地位。

三、總結(jié)

變頻器最基本應(yīng)用，是通過(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。

變頻器可以可以取代因環(huán)境所造成的較高故障率的滑差電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及控制精度較差的各類閥門控制方式，節(jié)能效率大大提高，減少設(shè)備故障，提高控制精度，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。