變頻調(diào)速及控制技術(shù)的發(fā)展趨勢
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| (發(fā)布日期：2009-4-10 10:35:08) 來源：中國低壓電器網(wǎng) |
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能源需求正極大地影響著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國同樣也面臨著經(jīng)濟(jì)增長對能源需求的壓力。九十年代我國高耗能產(chǎn)品的耗能量比發(fā)達(dá)國家高12-55%，能源綜合利用效率僅為32%。
我國迫切需要提高能源利用效率。電機(jī)是能源消耗大戶之一。我國電機(jī)總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時，占工業(yè)耗電量的80%，然而直到目前，我國各類在用電機(jī)80%以上還是中小型異步電動機(jī)，可見我國在電機(jī)節(jié)能領(lǐng)域有非常大的潛力。電機(jī)節(jié)能技術(shù)最受矚目的就是變頻調(diào)速技術(shù)。但是，我國變頻調(diào)速技術(shù)研究雖然非常活躍，然而產(chǎn)業(yè)化仍很不理想，外國產(chǎn)品幾乎占據(jù)了我國變頻調(diào)速技術(shù)市場的60%。
以下將著重介紹變頻調(diào)速技術(shù)的最新發(fā)展概況。
變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀
20世紀(jì)是變頻調(diào)速技術(shù)由誕生到發(fā)展的時代。特別是20世紀(jì)90年代以后，IGBT、IGCT（集成門極換向性晶閘管）等新型電力電子器件的發(fā)展、DSP（數(shù)字信號處理器）和ASIC（專用集成電路）的快速發(fā)展以及新穎控制理論和技術(shù)（如磁場定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等）的完善，使變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、功率因數(shù)、運(yùn)行效率和使用方便等性能指標(biāo)超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到取代直流調(diào)速的地步，受到各行業(yè)的歡迎并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
變頻調(diào)速及控制技術(shù)的發(fā)展趨勢
1．高壓大功率的變頻調(diào)速系統(tǒng)
在我國低壓變頻調(diào)速裝置已得到用戶的認(rèn)可，市場總量已達(dá)2000年的約40億人民幣，并顯示出其節(jié)能效果。據(jù)統(tǒng)計，我國低壓（690V以下）電機(jī)數(shù)量是高壓電機(jī)的幾十倍，但耗能僅為高壓電機(jī)的八分之一。近來國際上高壓大電流功率器件的出現(xiàn)以及并、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，使高壓大功率的變頻調(diào)速得以實現(xiàn)，其使用效果平均節(jié)能可達(dá)30%，有著十分明顯的節(jié)能效果。但我國尚在啟動期，許多技術(shù)如多電平電壓型逆變器。變壓器耦合多脈沖逆變器等技術(shù)還須迅速跟上。無論是新建項目如西氣東調(diào)、南水北調(diào)等重大工程或是技術(shù)改造項目都是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)巨大的潛在市場。
2．永磁同步電動機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展
具有快速電流跟蹤系統(tǒng)的變頻裝置、DSP信號處理器以及高性能釹鐵硼永磁材料的發(fā)展，為各類永磁同步電動機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來生機(jī)。
永磁同步無齡輪電動機(jī)及控制系統(tǒng)，是新一代的綠色電梯驅(qū)動裝置。國外該類電梯專用變頻裝置有十分完善的軟件支持，可接受任意位置傳感器的反饋信號，具有自學(xué)習(xí)功能，自動識別電動機(jī)參數(shù)，在實現(xiàn)磁場定向伺服時，自動進(jìn)行初始定位，具有和直流電動機(jī)一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性。其體積小、效率高、功率因數(shù)高、振動小、噪聲低，平層精度好，在高層建筑、無機(jī)房電梯和家庭小梯中都有很大的市場。但電動機(jī)需直接輸出大轉(zhuǎn)矩，并減小低速轉(zhuǎn)矩波動，有一定設(shè)計難度。
電動汽車、混合型電動汽車以及電動船舶的驅(qū)動裝置亦首選永磁同步電動機(jī)。在這種應(yīng)用場合特別需要關(guān)注的是磁路結(jié)構(gòu)，尋求大的Xp/Xd值，以獲得大的恒功率調(diào)速范圍和大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。
具有快速動態(tài)響應(yīng)、硬機(jī)械特性、極寬調(diào)速范圍。良好的低速平穩(wěn)性以及位置和軌跡精確控制的全數(shù)字化永磁同步伺服系統(tǒng)，是現(xiàn)代自動化裝備中最重要的執(zhí)行部件，可廣泛應(yīng)用于高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等，目前國內(nèi)市場仍是進(jìn)口產(chǎn)品的一統(tǒng)天下。
3．變頻調(diào)速系統(tǒng)中PWM技術(shù)的發(fā)展
PWM控制是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，任何控制算法幾乎都是以各種PWM控制方式實現(xiàn)。九十年代以來的產(chǎn)品，正弦形PWM（SPWM）調(diào)制方法已逐步為以下方式取代：
快速電流跟蹤PWM技術(shù)
快速電流跟蹤型PWM逆變器為電流控制型的電壓源逆變器，一般采用滯環(huán)電流控制，使三相電流快速跟蹤指令電流。該逆變器硬件簡單，電流控制響應(yīng)快，兼有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點(diǎn)，普遍用于PMSM伺服系統(tǒng)和異步電動機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)。
磁鏈跟蹤控制PWM技術(shù)
這種方法把逆變器和電動機(jī)視為一體，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(jī)理想的圓形磁場為基準(zhǔn)，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈?zhǔn)噶縼砀櫥鶞?zhǔn)磁鏈園，由跟蹤結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波。由于磁鏈的軌跡是靠空間矢量的選擇來實現(xiàn)，因此又稱電壓空間矢量法。
直接轉(zhuǎn)矩的智能控制PWM技術(shù)
常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩PWM技術(shù)無法區(qū)別轉(zhuǎn)矩、磁鏈的非常大的偏差和相對小的偏差，這將造成電機(jī)啟動期間系統(tǒng)的停滯。而采用智能控制中的模糊控制，可以通過定子磁鏈的空間位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊語言，根據(jù)模糊規(guī)則推出逆變器的開關(guān)模式，使系統(tǒng)性能改善。
雙PWM控制技術(shù)
交一直一交電壓型逆變器是目前最廣泛使用的型式，但常對電網(wǎng)構(gòu)成諧波污染。目前雙PWM控制技術(shù)的研究非常活躍，即由PWM整流器和PWM逆變器組成的雙PWM變頻器無須任何附加電路就可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，使系統(tǒng)的功率因數(shù)約為1，徹底消除網(wǎng)側(cè)的諧波污染，并實現(xiàn)了四象限運(yùn)行。
4．矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展
矢量變換控制技術(shù)
自1971年矢量變換技術(shù)控制理論建立以來，以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法，實現(xiàn)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全介耦。從而使異步電動機(jī)具有和直流電動機(jī)一樣優(yōu)良的控制性能。該技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用。
無速度傳感器矢量變換控制技術(shù)
矢量變換控制系統(tǒng)在低速尤其是在零轉(zhuǎn)速時的性能以及速度傳感器的安裝和維護(hù)影響了控制系統(tǒng)的性能、可靠性、價格和簡便性。因而無速度傳感器矢量變換技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。該技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲取速度信號，常用的方法有：從電機(jī)的基本議程式導(dǎo)出速度方程式進(jìn)行計算：根據(jù)自適應(yīng)控制理論，選擇合適的參考模型，利用自適應(yīng)法識別速度；轉(zhuǎn)子空間信息法——利用高頻注入電流，辯識出轉(zhuǎn)子的位置和速度，國外已有相關(guān)產(chǎn)品，調(diào)速范圍可達(dá)1：75。 |
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