中、高压变频调速和低压变频的控制方式

2018-03-16

中、高压变频调速和低压变频调速一样,有如下几种控制方式。

1、V/f协调控制

交流电动机的感应电势E=4.44Nf(N为绕组有效匝数)。忽略定子绕组的阻抗,定子电压U≈E=4.44Nf。当改变频率f调速时,如电压U不变,则会影响磁通。例如,当电机供电频率降低时,若保持电机的端电压不变,那末电机中的将增大。由于电机设计时的磁通选为接近饱和值,的增大将导致电机铁心饱和。铁心饱和后将造成电机中流过很大的励磁电流,增加铜耗和铁耗。而当供电频率增加,电机将出现欠励磁。因为T=CmI2′cosφ2(Cm为电机结构决定的转矩系数,I2′为转子电流折算值,cosφ2为转子功率因数),磁通的减小将会引起电机输出转矩的下降。因此,在改变电机的频率时,应对电机的电压或电势同时进行控制,即变压变频(VVVF)。

V/f协调控制可近似保持稳态磁通恒定,方法简单,可进行电机的开环速度控制。主要问题是低速性能较差。因为低速时,异步电动机定子电阻压降所占比重增加,已不能忽略,不能认为U≈E,这时V/f协调控制已不能保持恒定。

由于V/f协调控制是依据稳态关系得出,因而动态性能较差。如欲改善V/f协调控制的性能,需对磁通进行闭环控制。

2、矢量控制

众所周知,直流电动机具有优良的调速和起动性能,是因为T=CmIa,励磁绕组和电枢绕组各自独立,空间位置互差90°,因而和电枢电流Ia产生的磁通正交,如忽略电枢反应,它们互不影响;两绕组又分别由不同电源供电,在恒定时,只要控制电枢电流或电枢电压便可以控制转矩。而异步电动机只有定子绕组与电源相接,定子电流中包含励磁电流分量和转子电流分量,两者混在一起(称为耦合),电磁转矩并不与定子电流成比例。矢量控制的思路就是仿照直流电动机的控制原理,将交流电机的动态数学方程式进行坐标变换,包括三相至二相的变换(3/2)和静止坐标与旋转坐标的变换,从而将定子电流分解成励磁分量和转矩分量(解耦),它们可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得,然后分别和设定值一起构成闭环控制,经过调节器的作用,再经过坐标反变换,变成定子电压的设定值,实现对逆变器的PWM控制。

矢量控制可以获得和直流电动机相媲美的优异控制性能。

3、直接转矩控制

直接转矩控制也是分别控制异步电动机的转矩和磁链,只是它选择定子磁链作为被控制的对象,而不像矢量控制系统那样选择了转子磁链,因此可以直接在定子坐标上计算与控制交流电动机的转矩。即通过实时检测磁通幅值和转矩值,分别与给定值比较,由磁通和转矩调节器直接输出,共同形成PWM逆变器的空间电压矢量,实现对磁链和转矩的直接闭环控制。它不需要分开的电压控制和频率控制,也不追求单相电压的正弦,而是把逆变器和电机视为整体,以三相波形总体生成为前提,使磁通、转矩跟踪给定值,磁链逼近圆形旋转磁场。

直接转矩控制不需要坐标变换,也不受转子参数变化的影响,控制器结构简单,而仍具有良好的静、动态性能。

4、无速度传感器矢量控制

高性能的调速系统均采用转速闭环。但是速度传感器的安装、维护及低速性能等方面的问题给系统带来麻烦,甚至影响系统的可靠性。因而无速度传感器的控制越来越受到关注和欢迎。问题是从易测得的定子电压、定子电流中如何计算出与速度有关的量。目前常用的方法有:利用电机的基本方程式(稳态或动态)导出速度的方程式进行计算;根据模型参考自适应的理论,选择合适的参考模型和可调整模型,利用自适应算法辩识出速度;利用电机的次谐波电势计算速度,或计算转差频率进行补偿等。 上述四种控制方式中,V/f协调控制是转速开环控制,控制电路简单,是使用较多的一种控制方式,常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。后三种则用于高性能的通用变频器。通常有三种系统形式,即:有速度传感器的矢量控制、无速度传感器的矢量控制和无速度传感器的直接转矩控制。其中第一种控制精度高且动态性能好,但变频器系统复杂,价格较贵;后二种则控制精度和性能稍逊,但变频器系统较简单,价格较便宜。

除此之外,还有一些简化或改进的控制方式,如:有矢量演算的V/f控制、直接矢量控制(其磁通由测算而不是估算得出)等。

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