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三大变频器控制理论

上海坤玛机电2021-04-24 13:08:57

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矢量控制理论

70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。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有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制,因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens,AB,GE,Fuji等国际化大公司变频器上。


采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配,而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数,有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数,有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数,从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

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直接转矩控制

在80年代中期,德国学者Depenbrock教授于1985年提出直接转矩控制,其思路是把电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。


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动机的数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩,采用离散的两点式调节器(Band—Band控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波动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脉宽调制信号,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动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、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、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。

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交流调速系统控制方式

对于交流调速系统有公式:P=T×n/9550。P:功率,T:转矩,n:转速。调速要区分三种状态:


1变转矩负载比如:风机、水泵。在各种风机、水泵、油泵中,随叶轮的转动,空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力(转矩)大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小,压力(转矩)按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。利用调速调节风量、流量,可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快,与速度的三次方成正比,所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。


2恒转矩负载:转矩T与转速n无关,任何转速下T总保持恒定或基本恒定。例如传送带、搅拌机,挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。由公式可知电机的输出功率和转速成正比。即T=9550P/n=常数。


3恒功率负载:机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩,大体与转速成反比,这就是所谓的恒功率负载。即:P=T×n/9550=常数。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时,受机械强度的限制,T不可能无限增大,在低速下转变为恒转矩性质。


4负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时,最大容许输出转矩不变,属于恒转矩调速;而在弱磁调速时,最大容许输出转矩与速度成反比,属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时,即所谓"匹配"的情况下,电动机的容量和变频器的容量均最小。



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