根据不同控制方式选用变频电源的教学

所属栏目:职业教育论文 发布日期:2010-08-12 16:39 热度:

  摘要:讲解几种变频器的变频电源控制方式,分析不同方式的特点,解释变频电源不同控制方式的技术参数,以便在工程实际更好地选型和设计应用。
  关键词:控制方式变频器变频电源
  
  一、 引言
  对于交流电机的调速方式中,用变频装置调速可以实现无级调速又能节能,在目前工业生产及家电产品中应用十分广泛。继而目前市场上的低压通用变频电源品牌很多,对于各具特色的负载,如何根据负载的类型选用比较合理的变频器,以便构成具有最佳性能价格比的理想系统,是大多数工程技术人员共同关注的课题。
  众所周知,变频器控制方式是决定变频电源使用性能的关键,选择合理的变频电源控制方式,才会最大限度地发挥变频器的特点。本文将对目前存在的变频电源控制方式进行讲解,分析各种变频电源控制方式的特点,并给出变频电源各种控制方式时的技术参数,以便于工作在工程技术人员更好地选型和设计。
  二、 变频电源中常用的控制方式的分类
  变频电源常用控制方式应分为非智能控制方式和智能控制方式两大类。
  1.非智能控制方式
  在交流变频电源中使用非智能控制方式有:基于静态型的异步电动机的U/F协调控制,转差频率控制矢量控制,直接转矩控制等。
  通用型低压变频输出电压应在380V~650V,输出功率在0.75KW~400KW,工作频率在0HZ~400HZ,主电路都采用交直交电路,其控制方式经历以下几代,下面分别介绍其特点:
  (1) 以U/F=C,正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制方式。U/F控制是为了得到理想的转矩——速度特性,在改变电源频率进行调速的同时,还要保证电机的磁通不变的目的而提出的,通用型号变频电源基本上都采用这种控制方式。U/F控制变频电源结构比较简单,这种变频电源采用开环控制方式,不能达到较高的控制性能;且在低频时,必须进行转矩补偿,以改变低频转矩特性。
  以U/F=C,正弦脉冲宽度调节器制(SPWN)控制方式的特点是:控制电路结构简单,成本较低,机械特性硬度较好,能够满足一般传动系统的平滑调速要求。这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响也比较明显,造成输出的最大转矩减小。另外,其机械特性没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都不理想,以U/F=C控制的系统性能不高控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢,电动机转矩利用率低,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,使系统的稳定性变差。
  (2) 转差频率控制方式。恒压频比控制的变压变频调速系统可以满足一般平滑凋速的要求,但其静态、动态、性能都有限。而且,它属于转速,频率开环控制系统。转差频率控制方式则是采用转速反馈的闭环控制,是通过控制异步电机的电磁转矩以达到对转速的控制。
  转差频率控制方式的特点,它与恒压频比控制的变压变频调节器速系统相比前进了一步,系统的动、静态特性都有一定的提高。但其基本关系式都是从稳态方程中导出的,没有考虑到电机电磁惯性的影响及在动态中фm如何变化,所以动态转矩与磁通并没得到圆满的控制。
  (3) 直接转矩控制(DTC控制)。在上世纪80年代中期,德国学者提出,其思路是把电动机和逆变器看成一个整体,采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通,转矩计算,通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此,无需对定子电流进行解耦,免去矢量变换的复杂计算,控制结构简单。该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足,并以新颖的控制思想,简单明了的系统结构,优良的动静态性能得到了迅速发展。目前该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
  直接转矩控制技术,是利用空间矢量,定子磁场定向的分析方法,直接在定子坐标系下分析异步电机的数学模型,计算与控制异步电机的磁链和转矩。采用离散的两点式调节器(Bang-Bang控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波的限制在一定的容差范围内,容差的大小由频率调节器来控制,并产生PWM脉冲调制信号,直接对逆变器的开关状态进行控制,以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电机的数学模型是否简化,而取决于转矩的实际情况,它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化,即不需要模仿直流电动机的控制,由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,所以它的控制结构简单控制信号处理的物理概念明确,系统的转矩影响迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。即使在开关的状态下,也能输出100%的额定转矩,对于多拖动系统具有负荷平衡功能。
  直接转矩控制是以测量电动机电流和直流电压作为自适应电动机模型的输入。该模型每隔25μs产生一组精确的转矩和磁通实际值,转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值分别与给定值进行比较得到最佳开关位置。由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量,同步调整逆变电路的开关状态,进而调整电动机的转矩和磁通,以达到精确控制的目的。
  (4) 矢量控制(磁场定向法)
  矢量控制(又称VC控制)变频调速的方法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、、通过三相——二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流、,再通过按转子磁场子定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流、(相当于直流电动机的励磁电流;相当于直流电动机与转矩成正比电枢电流。)然后模仿直流电动机的控制方法,求得交流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。
  矢量控制的实质是将交流电动机等效成直流电动机,分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,以转子磁通定向,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
  矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式,无速度传感器矢量控制方式和速度传感器矢量控制方式等。
  (5) 矩阵式交一交方式。VVVF变换,矢量控制变频:直接转矩控制变频都是交—直—交变频控制方式中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。因此矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1。输入电流为正弦且能四象限运行。系统的功率密度大。该技术目前尚未成熟,仍吸引着众多的学者深入研究。
  (6) 最优控制。该控制在实际应用中,控制系统根据要求的不同而有所不同,可以根据最优控制理论对某一控制要求进行个别参数的优化。例如在高压变频的控制区应用中,就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略,以实现一定条件下的电压最优波形。
  (7) 其他非智能控制方式。在实际应用中,还有一些非智能控制方式在变频电源的控制中得以实现。例如自适应控制,滑模变结构控制,差频控制,环流控制,频率控制等。
  2.智能控制方式
  智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。目前在变频电源的控制中采用智能控制方式在具体应用中已有一些成功的范例。
  (1) 神经网络控制。该控制方式应用在变频电源的控制中,一般是进行比较复杂的系统控制,这时对于系统的模型了解甚少,因此神经网络即要完成系统辨识的功能,又要进行控制。而且神经网络控制可以同时控制多个变频电源,因此神经网络在多个变频电源并联时进行控制比较适合。但神经网络的层次数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来很多实际困难。
  (2) 模糊控制。这种控制算法用于控制变频电源的电压和频率。使电动机的升速时间得到控制,以避免升速过快对电机使用寿命的影响,以及升速过慢影响系统的工作效率。模糊控制的关键在于论域,隶属度以及模糊级别的划分,这种控制方式适用于多输入单输出系统。
  (3) 专家系统。专家系统是利用“专家”的经验进行控制的一种控制方式,因此,专家系统中要建立一个专家库,存放一定的专家信息;另外还要有推理机制,以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的,关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频电源的电压,又可以控制其电流。
  (4) 学习控制。该控制主要是用于重复性的输入,规则的,PWM信号(例如中心调制PWM)恰好满足这个条件。因此学习控制也可用于变频电源的控制中。学习控制不需要了解太多的系统信息,但需要1-2个学习周期,因此快速性相对较差。而且,学习控制的算法中有需要实现超前环节,这个模拟器件是无法实现的。同时,学习控制还涉及到一个稳定性的问题,应用时要特别注意。
  三、.变频电源控制方式的合理选用
  控制方式是决定变频电源使用性能的关键所在,目前市场上低压通用变频电源品种很多,包括欧、美、日及国产的共百余种。选用变频电源时不要以为档次越高越好,只要控制负载的特性,满足使用要求就可以使构成的系统具有高的性能价格比。如下表1给出了变频电源不同控制方式的技术参数。
  表1变频电源不同控制方工的技术参数
  控制方式 U/F=C控制 电压空间
  矢量控制 矢量控制 直接转矩
  控制
  反馈装置 不带PG 带PG或PID调节器 不要 不带PG 带PG或编码器 
  速比1 <1:40 1:60 1:100 1:100 1:1000 1:100
  起动转矩(在3Hz) 150% 150% 150% 150% 零转矩时为150% 零转矩时为>150%200%
  静态速度精度% ±(0.20.3) ±(0.20.3) ±0.2 ±0.2 ±0.02 ±0.2
  特点及适用场合 转速响应速度慢,开环控制结构简单;调试工作容易,可采用通用异步机;调速范围小,调速精度低。适用于一般要求不高的地方,如风机、泵类等负载。 较高精度调速或控制 一般工业上的调速或控制 不需要PG(转速脉冲发生器);可以进行转矩控制;响应速度快。一般可适用于所有调速或控制。 转矩控制性能好;响应速度极快;需安装PG部件;调速范围宽,精度高,价格贵。一般适用于要求高的设备,如伺服拖动、高精度传动转矩控制。 转矩控制性能好;响应速度快;调整速范围宽,精度高,价格贵。一般适用于负荷起动、起重负载转矩控制系统,理发师转矩波动大负载。
  
  四、 结束语
  分析讨论了各种变频电源控制方式的特点,特别是非智能控制方式和智能控制方式,并给出变频电源不同控制方式的技术参数,使用的场合,以便工程技术人员更好地选择合理的变频电源控制方式,合理地选择变频器,最大限度地发挥变频器的功能。
  
  参考文献: 
  [1]李华德,白晶,李志民,李擎,交流调速控制系统[M]。北京:电子工业出版社,2003
  [2]冯垛生,,张淼,变频器应用与维护[M],广州:华南理工大学出版社,2001。
  [3]周志敏,周纪海,纪爱华,变频电源实用技术—设计与应用[M],北京:中国电力出版社,2005

文章标题:根据不同控制方式选用变频电源的教学

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