微特電機的選用
第四講感應電動機變頻調(diào)速方法的比較及選用
宋 凱 劉寶廷 宋凌鋒 宋立偉 (哈爾濱工業(yè)大學150001)
l變頻方法的比較
感應電動機變頻調(diào)速從主回路結(jié)構(gòu)形式上分，有交一交頻和交一直一交變頻；從無功能量的處理方式上分，有電壓型和電流型兩種；從輸出的波形上分有方波、階梯波、pam和pwm變頻；從控制技術(shù)上可分為開環(huán)控制、pid閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)差控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和智能控制；從控制電路實現(xiàn)上還可分為模擬電路和數(shù)字電路變頻。
1．1交-交變頻與交-直-交變頻
交一交變頻主回路元件數(shù)量較多，一般，輸出****為電網(wǎng)頻率的1／3～1／2，所以交一交變頻特別適用低速大容量的系統(tǒng)中，小容量使用交-交變頻不合算。交-直-交變頻調(diào)速范圍寬，還可提高功率因數(shù)和進一步降低成本，但是由于兩次換能，效率略低。
1．2電壓型變頻器和電流型變頻器電壓型變頻器儲能元件為電容器，被控量為電壓，動態(tài)響應較慢，制動時需在電源側(cè)設置反并聯(lián)逆變器才能實現(xiàn)能量回饋，可適應多電機拖動。電流型變頻器儲能元件為電抗器，動態(tài)響應快，可直接實現(xiàn)回饋制動，感應電動機電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)可以頻繁、快速地實現(xiàn)四象限運行，更適宜1臺逆變器對1臺電機供電的單機運行方式。
1．3 pwm控制技術(shù)及分類
對變頻器輸出的波形進行傅立葉分析，方波的諧波含量比較大，逆變器無論是180o導通型，還是120o導通型，較低次諧波分量都非常大，采用階梯波只能是有限的降低諧波分量。采用．pwm控制技術(shù)可以有效除去低次諧波分量，能防止低速時的轉(zhuǎn)矩脈動，但這使輸出波形中所含的高次諧波分量比方波輸出時大，諧波損耗仍然很大；此外，在高精度場合，諧波轉(zhuǎn)矩也不容忽視。
早期一般采用pam方式，即脈沖幅值調(diào)制，調(diào)頻調(diào)壓分開；現(xiàn)在采用pwm方式，調(diào)頻同時調(diào)壓。目前已經(jīng)提出并得到應用的pwm控制方案不少于10種，等脈寬pwm法因為諧波分量較大而趨于淘汰，現(xiàn)在方興未艾的是正弦波脈寬調(diào)制spwm，它包括電壓spwm、磁通spwm(空間電壓矢量svpwm)和電流spwm。電壓spwm****缺點是電壓利用率低(輸出電壓有效值只為進線電壓的0．864倍)；通常采用過調(diào)制方法克服，這使在高壓時消除諧波目的沒有達到，磁通spwm即svpwm具有轉(zhuǎn)矩脈沖小、噪聲低，電壓利用率高(輸出電壓提高15％)和諧波電流有效值的總和接近優(yōu)化(最少)的優(yōu)點，因此得到廣泛應用。電流正弦pwm技術(shù)可以滿足電機控制良好的動態(tài)響應，在極低轉(zhuǎn)速下亦能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。除此之外，還有優(yōu)化pwm技術(shù)和隨機pwm技術(shù)，主要著眼點都是在不提高開關(guān)頻率的前提下消除諧波，抑制轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。這兩種方法可進一步消除波形死區(qū)畸變。
1．4控制原理上的若干控制技術(shù)
在動態(tài)性能要求不高的場合，選擇開環(huán)控制，成本低、維護方便。速度或電流閉環(huán)可提高動態(tài)性能，轉(zhuǎn)差控制還可進一步提高動態(tài)性能。真正使感應電動機調(diào)速性能可與直流機調(diào)速性能相比擬的是矢量控制，前面幾種控制策略是平均值意義上的控制，而矢量控制是瞬時值的控制，所以響應速度快，只是實現(xiàn)起來非常復雜，成本偏高。與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制是用對感應電機定子磁通的控制來代替對轉(zhuǎn)子磁通的控制，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制，它在很大程度上克服了矢量控制中計算控制復雜、特性易受電機參數(shù)變化影響、實際性能難以達到理論分析結(jié)果的缺點。理論上采用這種控制技術(shù)的感應電動機調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)性能更好，但是低速穩(wěn)定性差、帶負載能力不及矢量控制調(diào)速系統(tǒng)。
近幾年，有把應用于過程控制領域的專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等智能控制應用于電機調(diào)速系統(tǒng)，且出現(xiàn)了滑模控制調(diào)速系統(tǒng)，這種變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是一種模型參考自適應控制，優(yōu)點是，傳動系統(tǒng)的響應對參數(shù)變化和負載擾動不敏感。在它所適用的場合，需要有嚴密的速度或位置跟蹤。
1．5模擬電路與數(shù)字電路控制
目前模擬電路控制已趨于淘汰，數(shù)字電路中的cpu從8位到16位，到今天的32位，集成度愈來愈高，并且出現(xiàn)了功能極強的專用芯片，如矢量控制芯片ad2s100和各類pwm專用芯片，現(xiàn)在常用的spwm芯片有ef4752、sle4520、ma818和8xcl96mc。4752輸出的頻率范圍窄1～200hz，開關(guān)頻率不超過2kf{z，只有一個封鎖端，可用于晶閘管驅(qū)動；4520輸出頻率0～2 600hz，開關(guān)頻率高達23．4khz，具有動靜態(tài)輸出禁止功能，但需要不斷地給其送產(chǎn)生spwm波所需要的預置數(shù)，容易造成軟件上的延時，并且波形為單緣調(diào)制，高頻時，載波比較小，電流畸變嚴重，ma818克服了以上缺點，輸出調(diào)制頻率可達4khz，開關(guān)頻率可達到24khz，適用于中高速變頻。8xcl96mc是16位處理器內(nèi)置spwm |
