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                现代交流变频调速技术的发展概况

                发布时间:2020-06-07 17:19人气:

                现代交流电机变频调速系统的发展,主要经历了以下几个阶段:早期通◎用变频器,大多数为开环恒压频比的控制方式.其优点是控制结构简单、成本较低.缺点是系统控制以及调速性能不高,比较适合应用在风机、水泵等场合,其控制曲线会随着负载的变化而变化,转矩╲响应慢,电磁转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差;八十年代初日本学者提出了基于磁通轨迹的电压空间矢量法(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提,以逼近电机气隙理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控ㄨ制,它通过引入频率补偿控制,消除速度控制稳态误差,基于电动机的稳态模型,用直流电流信号重建相电流,由此估算出磁_链幅值,并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对调速性能的影响。实现输出电压、电流闭环控制,以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度,同时在一定程度上获得电流波形的改善。这种控制方法的另一个优点是对再生过电压、过电流抑制较◢为明显,从而可以实现快速的加减速。

                交流电机是一个多变量,非线性的复杂的被控对象,上述方法研究其控制特性,静、动态效≡果均不太理想,在上述各种方法中,由于未引入转矩控制调节,系统性能没有得到根本性的改善。针对上述控制方法的缺点,国外一些学者通过对电机数学模型进行了简化,实现了现◆在应用比较广的矢量控制理论,也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出,以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一_原理,由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂,但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质阳]。矢量控制的基本原理是控制电机磁链矢量,通过分解定_子电流,使之分解成转矩和磁场两个分量,经过坐标变换实现正交解耦控制。但是,由于转子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性。使得实际控制效△果往往难以达到理论分析的效果,这是矢量控制技术在实践上的不足。此外,它必须直接或间接得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制,从而使得在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器,这给许_多应用场合带来不便。在电机运行过程中,由于温度等外界环境和电机磁场变化对电机转子时间常数等参数的影响,大大降低了控制系统的精度,转子≡时间常数的辨识方面,国内外许多学者】做了大量的工作.继矢量控制方式之后,1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque control简称DTC)。直接转矩控制与_矢量控 制不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量来控制,转矩控制的优越性在于:转矩控制是控制定子磁链,在本质上并不需要转速信息,直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学_模型,控制电动机的链和转矩。它不需要将交流电动机控制等效成直流电动机控制方式,因而避免了矢量旋转变换中的许多复杂计算,它不需要模↘仿直流电动机的控制,也不需要为解藕而简化交流电动机的数学模型。控制上对除定子电阻外,其他所有电机参数变化鲁棒性良好;所引入的定子磁链观测器能够很容易对同步速度信息进行估算,因○而能方便地实现无速度传感器控制。这种控制方法被应用于通◎用变频器的设计之中,对于一些不方便安装速度传感器的场合尤其重要,提高了系统的稳定性,这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而,这_种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别(Identification简称ID),通过ID确立电机实际的定子阻抗互感、电机惯量等重要参数,然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际【转矩、定子磁链_和转子速度,并由磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号,对逆变器的开关状态进行控制。交流传动与控制技术是目前发展最为迅速▽的技术之一,这是和电力电子器件制造技术●、变流技术、控制技术以及微型计算①机和大规模集成电路的飞速发展密切相关的。

                变频技术的发展是建立在电力电子技术发展基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中,应用最_多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及IPM,IGBT和IPM集中了GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性,是目前通用变频器中应用最为广泛的主流功率器件。IGBT集射集电压可小↙于3V,开关频率可达到20KHz,内含的集射极间超高速二极管T。可达150ns。第四代IGBT的应用使◢变频器的性能有了更大的提高。其一是IGBT开关器件发热减少,将曾占主回路发热50-70%的器件_发热降低到了30%;其二是高载波控制,使输出电流波形有明显改善;其三是开关频率提高,使之超过人耳的感受范围,即实现了电机运行的静音化;其四是驱动功率减少,体积趋于♂更小。而IPM的投入应用比IGBT约晚二年,由于IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动╱和保护电路,有些甚至把光耦也集成于一体,因此是一种更为经济适用的集成型功率器件。目前,在模块额定电_流10-600A范围内,通用变频器均有采用IPM的趋势,其优点有:(1)开关速_度快,驱动电流小,控制驱动更为简单;(2)内含电流传感器,可以高效迅速地检测出过电流和短路电流,能对功◎率芯片给予足够的保护,故障率大大降●低;(3)由于在器_件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化,所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效得到控制;(4)保护功能较为丰富,如_电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全,随着技术的进步,保护功能将进一步日臻完善;(5)IPM的售价已逐渐接近IGBT,而设计人员▲采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件◢的节省以及综合性能提高等因素后,在许多场合其性价比己高过IGBT,有很好的经济性。控制技术的发展还得益于微处理机技术的发展,自从1991年INTEL公司推出8XI196MC系列以来,专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发的用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240系列都是颇_具代表性的产品。与单片机相比,DSP器件具有较高的集成度,具有更◆快的CPU,更大容量的存储器,提供高速、同步串口和标准异步串口,有的片内集成了模数转换器和采样保持电路,可提供PWM输出,其汇编指令集为仿C语言或代数语言格式,所有指令都能在一个机器周期内完成,并且通过并行处理技术,使一个机器周期可完成多条指令。TI和AD公司的DSP采用改进的哈佛结构,具有独立的程序空间和数据空间◎,允许同时存取程序和数据,同时,程序_空间和数据空间也有专门的通道可以进行数据交换,从而既避免了某一个空间的浪费,又为某些应用做好了准备。内置高速的硬件乘法器,增强的多级流△水线,使DSP器件具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机(CISC),多数指令要2-3个指令周期来完成。单片机采_用诺依曼结构,程序和数据在同一空间存取,同一时刻只能单独访问↙指令或数据。ALU只能作加法,乘法需要由软件来实现,因此占用较多的指令周期,运算速度比较慢。所以,结构上【的差异使DSP器件比16位的单片机单指令执行时间快8-10倍,完成一次乘法运算快16-30倍。

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