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[導(dǎo)讀]摘 要:文章闡述了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展、原理及各種變頻器的優(yōu)缺點(diǎn),為我們合理 選用變頻器提供了理論基礎(chǔ)。?   關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速技術(shù);電力;電子器件;數(shù)字微處理器??   近20年來(lái),雖然以 功率晶體管(GT

摘 要:文章闡述了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展、原理及各種變頻器的優(yōu)缺點(diǎn),為我們合理 選用變頻器提供了理論基礎(chǔ)。?
  關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速技術(shù);電力;電子器件;數(shù)字微處理器??

 
  近20年來(lái),雖然以 功率晶體管(GTR)作為逆變器功率器件,8位微處理器為控制核心,按壓頻比(U/f)控制 原理實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的變頻器,在性能和品種上出現(xiàn)了巨大的技術(shù)進(jìn) 步,但下列技術(shù)的進(jìn)步,使變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)一步得到提升:其一,所有的電力電子器件GTR 已經(jīng)基本上為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)所替代,進(jìn)而廣泛采用性能更為完善的智能功率 模塊(IPM),使得變頻器的容量和電壓等級(jí)不斷地?cái)U(kuò)大和提高;其二,8位微處理器基本被1 6位微處理器所替代,進(jìn)而有采用功能更強(qiáng)的32位微處理器或雙CPU,使得變頻器的功能從單 一的變頻調(diào)速功能發(fā)展為含有邏輯和智能控制的綜合功能;其三,在改善壓頻比控制性能的 同時(shí),推出能實(shí)現(xiàn)矢量控制和轉(zhuǎn)矩直接控制的變頻器,使得變頻器不僅能實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速,還可 進(jìn)行伺服控制。
 

  變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,大體可以從如下4個(gè)方面進(jìn)行綜述。?

  1 電力電子器件的更新

  逆變器從采用晶閘管半控器件到采用GTR全控器件,其輸出波 形從交流方波發(fā)展為脈寬調(diào)制(PWM)波形,大大減小了諧波分量,拓寬了異步電動(dòng)機(jī)變頻 調(diào)速范圍,并減小了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)幅度。然而,GTR工作頻率一般在2kHz以下,載波頻率和最 小脈寬都受到限制,難以得到較為理想的正弦波脈寬調(diào)制波形,使異步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速時(shí) 產(chǎn)生噪聲。?

  IGBT的工作頻率可在10~20kHz之間,與GTR相比,不僅工作頻率高出一個(gè)數(shù)量級(jí),而且 在電壓和電流指標(biāo)均已超出GTR。由于逆變器載波頻率的提高,以及可以構(gòu)成特定的PWM波形 ,異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制器的諧波噪聲大為降低。?

  智能功率模塊(IPM)是以IGBT為開(kāi)關(guān)器件,同時(shí)含有驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的一種功率集 成器件(PIC)。IPM的保護(hù)功能有過(guò)電流、短路、欠電壓、過(guò)電壓和過(guò)熱等,還可以實(shí)現(xiàn)再 生制動(dòng)。由IPM組成的逆變器只需對(duì)橋臂上各個(gè)IGBT提供隔離的PWM信號(hào)即可。簡(jiǎn)單的外部電 路和控制電路的集成化,使變頻器體積大為減小。還有,由于功率開(kāi)關(guān)器件的故障檢測(cè)和保 護(hù)電路接近故障點(diǎn),故可以抑制故障擴(kuò)大,保證裝置可靠運(yùn)行。

  2 控制策略的發(fā)展?
  第1代變頻器采用的是恒壓頻比控制方式,它根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)等效 電路確定的線(xiàn)性進(jìn)行變頻調(diào)速。電壓是指基波的有效值,改變U/f只能調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁 通和 轉(zhuǎn)矩,談不上動(dòng)態(tài)控制。為提高低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,通常采用提升電壓以及隨負(fù)載變 化補(bǔ)嘗定子繞組電壓降的辦法,可以拓寬變頻調(diào)速范圍至20∶1左右。

  第2代變頻器的主要特征是采用矢量控制方式,它參照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式,將異步 電動(dòng)機(jī)的定子電流空間矢量分解為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。首先是要控制勵(lì)磁,所以又把 矢量控制稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制。至于轉(zhuǎn)矩的控制則是間接的。矢量控制的主要缺點(diǎn)是需要復(fù)雜 的坐標(biāo)變換運(yùn)算,以及需檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)。因此,進(jìn)一步提出無(wú)速度傳感器矢量控制的方法, 它根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的相電壓和相電流,以及定轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)推算出轉(zhuǎn)速觀測(cè)值,以 實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向的矢量控制。由于轉(zhuǎn)速觀測(cè)值的精度受到所用計(jì)算參數(shù)與電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù) 之間偏差大小的影響,所以無(wú)速度傳感器矢量控制的調(diào)速精度和范圍,均低于帶速度編碼器 的矢量控制方案。一般前者的調(diào)速精度為1%,輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的最低頻率只能達(dá)到1Hz左右 ,而后者調(diào)速精度為0.01%,最低頻率為0.1Hz。?

  與矢量控制并行發(fā)展的還有直接轉(zhuǎn)矩控制方式,它以異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為被控量,強(qiáng) 調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果,并不刻意追求輸出電流為正弦波形。異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是 直接在定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩的大小,對(duì)其進(jìn)行直接跟蹤調(diào)節(jié),以獲得迅速的動(dòng) 態(tài)響應(yīng),其響應(yīng)速度可小到1~2ms。從轉(zhuǎn)矩調(diào)控要求看,磁鏈有點(diǎn)誤差,并不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩控制 性能產(chǎn)生重大影響。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化不敏感。

  近幾年來(lái),不依賴(lài)電動(dòng)機(jī)模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制方法開(kāi)始 引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中,成為交流調(diào)速控制理論、控制技術(shù)新的研究發(fā)展方向。

  3 數(shù)字微處理器的應(yīng)用

  數(shù)字化使得控制器對(duì)信息的處理能力大幅度提高 ,許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制,采用微機(jī)控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統(tǒng),如果 沒(méi)有微機(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。此外,微機(jī)控制技術(shù)給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的 功能,特別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實(shí)現(xiàn)。?

  微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性,操作、設(shè)置的多 樣性和靈活性,降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。

  以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一,用于交流調(diào)速 系統(tǒng)的微處理器發(fā)展情況簡(jiǎn)介如下:?

  3.1 單片機(jī)?

  開(kāi)始采用微機(jī)控制時(shí),總要選用CPU、ROM、RAM、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、I/O、 A/D、D/A等芯片,組成最小微機(jī)系統(tǒng)。為了適應(yīng)這種需要,一些公司開(kāi)始在一塊芯片上直接 集成這些部件,稱(chēng)為單片機(jī)。就其組成而言,可以說(shuō),一片單片機(jī)芯就是一臺(tái)計(jì)算機(jī),大大 縮小了控制器的體積,降低了成本,增強(qiáng)了功能。隨著單片機(jī)性能不斷提高,單片機(jī)具有了 豐富的硬件資源和軟件資源。然而單片機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)處理或浮點(diǎn)運(yùn)算能力有限,因此有待于 進(jìn)一步提高運(yùn)算速度。

  3.2 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)?

  為了提高運(yùn)算速度,20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào) 處理器,其中采取了一系列措施,包括集成硬件乘法器、提高時(shí)鐘頻率、支持浮點(diǎn)運(yùn)算等, 以提高運(yùn)算速度。近幾年來(lái),將DSP做成磁心,把PWM生成、A/D變換器等集成于一個(gè)芯片上 ,成為一種32位的速度高、功率強(qiáng)大的單片機(jī),其應(yīng)用日益廣泛。?
  3.3 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)?

  RISC在1986年前后問(wèn)世,它是將控制器、PWM、A/D等組成一 體做成芯片,是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上的一次突破,使微處理器在性能上獲得了質(zhì)的飛躍。微處 理器的進(jìn)步往往只靠改進(jìn)VLSI(超大規(guī)模集成)硬件的工藝,來(lái)提高時(shí)鐘頻率和微處理器速 度。RISC則把著眼點(diǎn)放在經(jīng)常使用的基本指令的執(zhí)行效率上,依靠硬件與軟件的優(yōu)化組合來(lái) 提高速度。在RISC中,揚(yáng)棄了運(yùn)算復(fù)雜而用處不大的指令,省出這些指令所占用的硬件資源 ,以提高簡(jiǎn)單指令的運(yùn)行速度。自RISC誕生以來(lái),經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,其工作速度已從2~3M IPS提高到1000MIPS。?

  3.4 高級(jí)專(zhuān)用集成電路?

  ASIC也稱(chēng)為適合特定用途的IC,是專(zhuān)用芯片的標(biāo)準(zhǔn)單元、門(mén) 陣列合在一起的內(nèi)部門(mén)陣列和作為程序使用的可編程邏輯陣列的結(jié)構(gòu)。能完成特定功能的初 級(jí)專(zhuān)用集成電路早已商品化,例如交流變壓變頻用的SPWM波形發(fā)生器有HEF4752、SLE4520。 高級(jí)專(zhuān)用集成電路的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)發(fā)生器,往往能夠包括一種特定的控制系統(tǒng),例如德 國(guó)IAM1994年推出的VECON,它是一個(gè)交流伺服系統(tǒng)的單片矢量控制器,能完成矢量運(yùn)算的DSP 協(xié)處理器、PWM定時(shí)器,以及其他外圍和接口電路,都集成在一個(gè)芯片之內(nèi),使可靠性大大 提高。

  4 功能綜合化?

  新一代的變頻器由于具有功能很強(qiáng)的微處理器支持,除能完成電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本 功能外,還具有內(nèi)置的可編程、參數(shù)辨識(shí)及通訊等功能。例如:?

  4.1 自動(dòng)加減速?
  變頻器可實(shí)現(xiàn)模糊最優(yōu)加減速,它根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載狀態(tài)而自動(dòng) 設(shè)定加減速的最短時(shí)間;或者在設(shè)定的最短加減速時(shí)間內(nèi),將加速電流限制,將減速的直流 過(guò)電壓控制在允許值以?xún)?nèi)。

  4.2 程序運(yùn)行?

  變頻器可以根據(jù)預(yù)設(shè)的速度值和運(yùn)行時(shí)間執(zhí)行多段程序運(yùn)行。例如 ,各段運(yùn)行時(shí)間、加減速時(shí)間以及正反向均可事先設(shè)定。?

  4.3 節(jié)電運(yùn)行?

  變頻器能自動(dòng)選定輸出電壓,使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于最小電流狀態(tài),從而 使電動(dòng)機(jī)損耗最低,其效率在原有節(jié)能基礎(chǔ)上再提高3%。?

  4.4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)辨識(shí)?

  無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)參數(shù)推算轉(zhuǎn)速 觀測(cè)值。一般制造廠商將變頻器供電的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)事先設(shè)定好,也可以由用戶(hù)將所有電 動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行新的設(shè)定。新型變頻器也可以做到第一次試運(yùn)行時(shí)按規(guī)定程序自動(dòng)辨識(shí)電動(dòng) 機(jī)參數(shù)并打印出來(lái)。這樣就拓寬了變頻器的應(yīng)用范圍,而且使用很方便。?

  4.5 通訊和反饋功能?

  新型變頻器一般都帶有RS232/422/485通訊接口,可以實(shí)現(xiàn) 上位工控機(jī)對(duì)變頻器的1對(duì)1或1對(duì)多的通訊功能,可將上位機(jī)的運(yùn)行指令下達(dá),或?qū)⒆冾l器 的運(yùn)行狀態(tài)上傳。在需要高精度控制時(shí),可選用編碼器,將轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋到變頻器,構(gòu) 成閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器的通訊功能,對(duì)于不同的廠家有不同形式。完善的軟件功能和規(guī)范的通 訊協(xié)議,使它可實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)組態(tài),組成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng),變頻器在其中作為通訊的從站和 傳動(dòng)執(zhí)行裝置。?

  5 結(jié)束語(yǔ)?

  交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過(guò)程表明,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了交 流調(diào)速的飛速發(fā)展?,F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用、電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用、微機(jī)控制技 術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用,為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。?
 

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