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直接作为被控制量来实现的。具体方法是:控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式；自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现Band—Band控制，按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2％,无p反馈)高转矩精度(<＋3％)；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括速度为零时),可输出150％～200％转矩。
第三节 简单的三种变频器控制方式
1. 保持VF恒定
保持VF恒定控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式,它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压,并使二者之比VF为恒定,从而使电动机的磁通基本保持恒定。由于电机的电势检测困难,但电机运行时电机的电势和电压几乎相等,一般是通过控制VF比恒定以保持磁通为恒定。缺点在于,当频率降低后,由于低速时的定子电阻压降所占比重增大使电机的电压和电势近似相等的条件已不满,导致电机的转矩有所下降。
2. 保持输出转矩为常数(恒转矩调速)
所谓恒转矩调速包括:控制具有恒转矩特性的负载(如起重机械)和不同速度情况下恒输出转矩控制,这种控制方式使得电动机保持输出恒定的最大转矩(条件容许的范围)。上述VF比恒定控制属于恒转矩控制。因为这种控制可以在一定调速范围内近似维持磁通为恒定,在相同的转矩相位角的条件下,如果能够控制电机的电流为恒定,即可控制电机的转矩为恒定。
3. 保持输出功率为常数(恒功率调速)
恒功率调速也同样包括负载特性要求具有恒功率的转矩-转速特性和电机具有输出恒功率能力即当电机的电压随着频率的增加而升高时,若电机的电压已经达到电机的额定电压,即使频率增加仍持电机电压不变。这样电机所能输出的功率由电的额定电压和额定电流的乘积所决定,不随频率变化而变化。即具有恒功率特性。异步电动机变压变频调速时,通常在基频以采用恒转矩调速,基频以上时采用恒功率调速。
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第四节 变频器的实际应用
变频器的选取主要应注意以下几个误区:
1.在变频器的三相电源进线处设置多重保护,如采用熔断器、漏电保护器、交流接触器和三相空气开关等,这种设置往往会限制变频器能力,且已造成缺相而损坏变频器。
2.一般用户认为变频器的实际功率比其铭牌上标出的额定功率低,应将其容量选高一档。实际上变频器容量的选取主要取决于负载的转动惯量与控制转速变化的速率要求。例如在火电厂回转式空气预热器转子驱动中应用的变频器,选型时主要根据
TM?TL?J? （3-2）
式中：
TM——电机驱动转矩； TL——负载转矩；
J——负载转动惯量；
?——系统加速度。
600 MW发电机组的空预器转子计算其转动惯量约为：
1Jz?mR2?2.5?107N?m?s （3-3）
2启动时的阻力转矩约为：
TL?5~6?104N?m （3-4）
所以根据式TM?TL?J?计算可以选用15~18kW电机,配以15~18kW变频器驱动,当选用15 kW电机时加速时间不宜低于36 s,否则易出现过载报警,但把加速时间延长至60 s时该报警不再出现。该结论已经在工程实际中得到验证。如果还出现“加速时过电流”报警,可在变频器的输出端(与电动机连接的一端)加装Y?启动控制电路(同时增加浪涌吸收器)即可,无需增加变频器容量。
3.功率因数补偿装置
由于变频器内部直流部分的隔离,使得原来的补偿装置不再有效。补偿装置只有加在变频器和电动机之间时才有效。
4.变频器的节能作用
变频器的节能作用可以从两方面来看待。一类是风机或泵类负载中的应用,而且流量经常根据使用要求发生变化时,还需再配上相应的传感器,与变频器一起构成闭环回路,才能达到节能的目的。另一类是当负载功率小于电动机的额定功率时,其效率随着负
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载转矩的减少而降低,也就是说,电动机轻载时会相对费电。而变频器会根据负载的大小自动调整V/F值,从而使效率得到提高,达到节能之目的。前面说的空预器转子负载就是这类负载。经实际运行应用变频器驱动空载时转子节能20%左右。
5.载频
随着载波频率的提高变频器输出波形接近于正弦波,电机噪声会逐渐降低。但是载波频率过高会使变频器产生过多的热损耗和交越失真。如下表所示:
表2-1频率波形等的比较 载波频率 电机噪声 输出波形 漏电流 6.高次谐波
低 大 差 小 高 小 好 大 当使用环境中有晶闸管整流设备或电源电压不平衡率超过3%则应考虑在电源入口侧加装交流电抗器以减少电源侧和变频器之间的相互干扰。例如在电厂工作环境下,同一母线下工作的设备比较复杂,建议采用输入交流电抗器,以提高设备的使用寿命。
7.能量回馈
变频器在大惯性负载的应用中容易产生“过电压”报警。该报警产生的原因在于负载波动引起的能量回馈导致直流电压过高从而引起报警。解决该问题主要有两种方式:加装制动单元和制动电阻,这是解决该报警的根本方法。但对于负载惯量较大、波动剧烈的工况,制动电阻频繁工作也会导致过热报警。但往往出现“过电压”报警的根本原因在于矩提升、驱动转矩、制动转矩以及电机参数设置不理所致,这种原因所导致的报警解决方法是自动定电机参数并相应调节驱动、制动转矩参数即可不加装制动电阻的情况下,解决“过压”报警问题该方法已在国内多家电厂得到应用,并得到满意结果。
第五节 正弦波脉宽调制(SPWM)变频器
SPWM变频器结构简单,性能优良,主电路不用附加其他装置,已成为当前最有发展前途的一种结构形式。图3-3所示为SPWM变频器的电路原理,该电路的主要特点是:
1.主电路只有一个可控的功率环节,简化了结构；
2.使用了不可控的整流器,使电网功率因数与变频器输出电压的大小无关而接近于1；
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3.变频器在调频的同时实现调压,而与中间直流环节的元件参数无关,加快了系统的动态响应；
4.可获得比常规6拍阶梯波更好的输出电压波形,能抑制或消除低次谐波,使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行,转矩脉动小,大大扩展了拖动系统调速范围,并提高了系统的性能。
图3-3 SPWM交-直-交变频器原理
一、 SPWM变频器的工作原理
所谓正弦波脉宽调制(SPWM)就是把正弦波等效为一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,如图3-4所示,等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份(图中n=12),然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合,而宽度是按正弦规律变化的如图3-4(b)所示。
这样,由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效,称作SPWM波形。同样,正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。图3-4 (b)所示的一系列脉冲波形就是所期望的变频器输出SPWM波形。可以看到,由于各脉冲的幅值相等,所以变频器可由恒定的直流电源供电,即这种交-直-交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可,变频器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压幅值。
当变频器各开关器件都是在理想状态下工作时,驱动相应开关器件的信号也应为与图3-4 (b)所示形状相似的一系列脉冲波形。从理论上讲,这一系列脉冲波形的宽度是作为控制变频器中各开关器件通断的依据,可以严格地用计算机方法求得。但较为实用的方法是引用通讯技术中的“调制”这一概念,以所期望的波形(这里是正弦波)作为调制波,而受它调制的信号称为载波。
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图3-4 与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波
(a)—正弦波形 (b)—等效的SPWM波形 图3-4 正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波
在SPWM中常用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形,当它与任何一个光滑的曲线相交时,在交点的时刻控制开关器件的通断,即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲,这正是SPWM所需要的结果。. 二、 SPWM变频器的同步调制和异步调制
定义载波的频率ft与调制波频率fr之比为载波比N,即N?ftfr。视载波比的变化与否有同步调制与异步调制之分。
1.同步调制
在同步调制方式中, N为常数,变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步变化,因而变频器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取N等于3的倍数,则同步调制能保证变频器输出的电压波形的正、负半波始终保持对称,并能严格保证三相输出电压波形间具有互差120°的对称关系。但是,当输出频率很低时,由于相邻两脉冲间的间距增大,谐波会显著增加,使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声,这是同步调制方式的主要缺点。
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