低压变频器的几种控制方式分析-论文网
发布时间：2011-02-26 14:13:59更新时间：2011-02-26 14:13:59
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低压变频器的几种控制方式分析
李金磊
天津十二冶建设有限公司电气设备安装公司
摘要随着低压变频器技术的不断成熟，低压变频应用越来越广泛，本文主要对低压变频器的集中控制方式进行分析，并对其优缺点进行了说明。
关键词低压变频器控制方式优缺点分析
从技术角度来看，低压变频器的控制方式也在一定程度上表明了它的分类。
1.下面是几种控制方式：
（1）直接转矩控制（DTC）
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。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，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去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，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。ABB公司的ACS800系列即采用这种控制方式。
（2）电压空间矢量（SVPWM）
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。由于众多国产变频器在矢量控制上还与国外品牌有一定差距，因此SVPWM控制方式在国内的变频器矢量控制方式中比较常见。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，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，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。使用矢量控制，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。这个功能即为转矩提升。转矩提升功能提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。矢量控制则把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量的值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。矢量控制方式也因此成为国外品牌占领高端市场的一个重要的优势。
(3)正弦脉宽调制（SPWM）
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。但是此种控制方式也是目前变频器普遍使用的控制方式之一，也是目前国产品牌使用最多的控制方式之一。
(4)矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电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。为此，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l，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，其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应，很高的速度精度，高转矩精度；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
2.变频器选型的注意事项
(1)应以电动机额定电流值作为选择依据，电动机的额定功率只能作为参考。
(2)应充分考虑变频器输出中含有丰富的谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏，因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10%左右，而温升会增加20%左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
(3)选择变频器时必须充分了解变频器所驱动的负载特性。变频器拖运恒转矩负载时，低速下的转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。负载的恒功率特性是相对于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，转矩不可能无限增大，将转变为恒转矩特性。负载的恒功率区和恒转矩区对调整系统方案的选择有很大的影响，电动机的恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允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，电动机容量和变频器容量均最小，这是最理想的选型条件。
李金磊
天津十二冶建设有限公司电气设备安装公司
摘要随着低压变频器技术的不断成熟，低压变频应用越来越广泛，本文主要对低压变频器的集中控制方式进行分析，并对其优缺点进行了说明。
关键词低压变频器控制方式优缺点分析
从技术角度来看，低压变频器的控制方式也在一定程度上表明了它的分类。
1.下面是几种控制方式：
（1）直接转矩控制（DTC）
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。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，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去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，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。ABB公司的ACS800系列即采用这种控制方式。
（2）电压空间矢量（SVPWM）
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。由于众多国产变频器在矢量控制上还与国外品牌有一定差距，因此SVPWM控制方式在国内的变频器矢量控制方式中比较常见。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，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，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。使用矢量控制，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。这个功能即为转矩提升。转矩提升功能提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。矢量控制则把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量的值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。矢量控制方式也因此成为国外品牌占领高端市场的一个重要的优势。
(3)正弦脉宽调制（SPWM）
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降、稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。但是此种控制方式也是目前变频器普遍使用的控制方式之一，也是目前国产品牌使用最多的控制方式之一。
(4)矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电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。为此，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l，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，其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应，很高的速度精度，高转矩精度；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
2.变频器选型的注意事项
(1)应以电动机额定电流值作为选择依据，电动机的额定功率只能作为参考。
(2)应充分考虑变频器输出中含有丰富的谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏，因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10%左右，而温升会增加20%左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
(3)选择变频器时必须充分了解变频器所驱动的负载特性。变频器拖运恒转矩负载时，低速下的转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。负载的恒功率特性是相对于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，转矩不可能无限增大，将转变为恒转矩特性。负载的恒功率区和恒转矩区对调整系统方案的选择有很大的影响，电动机的恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允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，电动机容量和变频器容量均最小，这是最理想的选型条件。
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