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文檔簡(jiǎn)介
1、1概述異步機(jī)變頻調(diào)速已得到廣泛的應(yīng)用。變頻器的花樣種類繁多,變頻器的供應(yīng)商們?yōu)榱送其N自己的產(chǎn)品,都大力宣傳自己的優(yōu)點(diǎn),其他產(chǎn)品的缺點(diǎn),使人眼花繚亂。變頻器的應(yīng)用者在選用時(shí)經(jīng)常提出許多如何合理應(yīng)用及方案比較的問(wèn)題,變頻器的開發(fā)者在方案論證時(shí)也常提出產(chǎn)品定位及前景方面的問(wèn)題。作者根據(jù)自己多年來(lái)在該領(lǐng)域中的體會(huì),就下面幾個(gè)問(wèn)題談?wù)勛约旱目捶?。各種產(chǎn)品,只要它們?cè)谑袌?chǎng)上站得住腳,就必然有它們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。市場(chǎng)是無(wú)情的,如果都是缺點(diǎn),該產(chǎn)品必
2、然被淘汰,若都是優(yōu)點(diǎn)它必然淘汰別人。作者希望通過(guò)本論壇引起討論,去掉商業(yè)炒作,還事物以本來(lái)面目。以下均為個(gè)人看法,僅供參考。涉及一些價(jià)格,均為做方案比較用的價(jià)格,不是實(shí)際購(gòu)物價(jià)格,不涉及商業(yè)行為。(1)大功率節(jié)能調(diào)速的合理電壓等級(jí)大中功率風(fēng)機(jī)和泵采用變頻調(diào)速可節(jié)約大量電能,大部分功率在0.22MW范圍內(nèi)。我們現(xiàn)在200KW以上的電機(jī)多是中壓,電壓等級(jí)多為10KV,少量為6KV。選用10KV“直接”變頻,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看都不合理。所有的
3、“直接”變頻都不是真正的直接變頻,在其輸入側(cè)都有變壓器,因此電機(jī)和變頻器沒(méi)有必要和電網(wǎng)電壓一致。本文討論不同功率段的合理電壓等級(jí)。(2)高性能調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制和直接力矩控制高性能調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制發(fā)明于70年代末,商品化于80年代,至今仍然為多數(shù)公司所采用。直接力矩發(fā)明于80年代后期,部分公司采用,商品化于90年代初,被廣泛宣傳為新一代技術(shù)。本文介紹作者對(duì)這兩種系統(tǒng)的看法。(3)有速度(位置)傳感器和無(wú)速度(位置)傳感器系統(tǒng)在矢量
4、控制和直接力矩控制系統(tǒng)開發(fā)的初期都要求裝設(shè)速度(位置)傳感器(編碼器)。有些場(chǎng)合安裝編碼器困難,所以又開發(fā)出無(wú)速度(位置)傳感器系統(tǒng),它的性能不如前者,但優(yōu)于Vf開環(huán)系統(tǒng)?,F(xiàn)在有些宣傳說(shuō),無(wú)編碼器系統(tǒng)的低速起動(dòng)性能已達(dá)到有編碼器系統(tǒng)水平,此提法有模糊之處。本文討論什么時(shí)候應(yīng)裝編碼器,何時(shí)可以不裝編碼器。610996551022大功率節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)的合理電壓等級(jí)大中功率風(fēng)機(jī)和泵采用變頻調(diào)速可節(jié)約大量電能,大部分功率在2002000KW范圍中
5、。我們現(xiàn)有的交流電動(dòng)機(jī)200KW是個(gè)界限,200KW以下是低壓380V,200KW以上為中壓:3KV、6KV和10KV。電力部門從減小線損的角度出發(fā),希望提高供電電壓,3KV已取消,6KV正在淘汰中,大力推行10KV,將來(lái)還可能提至20KW。用戶從簡(jiǎn)化配置出發(fā),很自然的提出要求,希望200KV以上的電機(jī)和變壓器也都采用10KV,不幸這合乎情理的要求技術(shù)上實(shí)現(xiàn)困難,經(jīng)濟(jì)上價(jià)高,因?yàn)?A10KV電機(jī)從制造角度并不困難,但隨著電壓升高,絕緣等
6、級(jí)提高,電機(jī)重量和價(jià)格也增加,以YJS系列4極560KW電機(jī)為例:380V重3.6T,價(jià)11萬(wàn)6KV重3.9T,價(jià)15萬(wàn)10KV重4.4T,價(jià)20萬(wàn)。B受電力電子器件電壓及電機(jī)允許的dvdt限制,10KV變頻器必須多電平,多器件串聯(lián)。造成線路復(fù)雜,價(jià)格昂貴,可靠性差。對(duì)于10KV變頻器若使用1700VIGBT器件,需10串,三相共120支器件。若使用3300V器件,也需5串共60支器件,數(shù)量巨大。另一方面電流小,器件的電流能力得不到充分
7、利用,仍以560KW為例,10KV電機(jī)電流僅40A左右,現(xiàn)1700V的IGBT電流已達(dá)2400A,3300V器件電流達(dá)1600A,有大電流器件不采用,偏要用大量小電流器件串聯(lián),極不合理。即使電機(jī)功率達(dá)2000KV,電流也只有140A左右,仍很小。為了電平隔離,改善輸入電流波形及減小諧波,現(xiàn)在所有的中壓“直接變頻”器都不是真正的直接變頻,其輸入側(cè)都裝有輸入變壓器,這種安排短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。既然輸入側(cè)有變壓器,變頻器和電機(jī)的電壓就沒(méi)有必要設(shè)
8、計(jì)旁路電路時(shí)需注意校驗(yàn)電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。例如變壓器短路阻抗為6%,容量為1.1倍變頻器容量,電機(jī)起動(dòng)電流為7倍,則電機(jī)起動(dòng)電壓為0.72Vm,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.52倍額定起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,它應(yīng)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。若起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠,只能加大變壓器容量或選用小短路阻抗變壓器。3高性能調(diào)速系統(tǒng)中的矢量控制和直接力矩控制調(diào)速系統(tǒng)的任務(wù)是控制速度,速度通過(guò)轉(zhuǎn)矩來(lái)改變,調(diào)速系統(tǒng)的性能取決于轉(zhuǎn)矩控制的好壞,矢量控制(VC)和直接力矩控制(DTC)的任務(wù)都是實(shí)現(xiàn)高
9、性能轉(zhuǎn)矩控制,它們的速度調(diào)節(jié)部分相同。異步機(jī)的轉(zhuǎn)矩等于磁鏈?zhǔn)噶亢投ㄗ与娏魇噶康氖噶糠e。磁鏈不能直接測(cè)量,需要通過(guò)定子電壓電流及電機(jī)參數(shù)算得。由于定子電壓電流都是交流量,處理起來(lái)較麻煩,所以在VC控制系統(tǒng)中,借助于坐標(biāo)變化,把它們變成dq坐標(biāo)系的直流量,計(jì)算得到的控制量再經(jīng)反變換變回交流坐標(biāo)軸系去產(chǎn)生PWM信號(hào)。為了在高速和低速均能取得好的性能,必須用電壓電流兩個(gè)模型,涉及到電機(jī)參數(shù)較多。在DTC系統(tǒng)中用交流量直接計(jì)算力矩和磁鏈,然后通過(guò)
10、力矩、磁鏈兩個(gè)BB控制器產(chǎn)生PWM信號(hào),省去了坐標(biāo)變換。在研制DTC的初期沒(méi)有考慮低速運(yùn)行工況,并以定子磁鏈為基礎(chǔ),涉及電機(jī)參數(shù)只有Rs一個(gè),因此DTC的供貨商大力宣傳DTC計(jì)算簡(jiǎn)單,涉及電機(jī)參數(shù)最少,精度高等。實(shí)際上在考慮低速運(yùn)行工況后,DTC也必須引入電流模型,也要用到轉(zhuǎn)子磁鏈,涉及的電機(jī)參數(shù)和VC一樣多,所以精度也一樣。DTC沒(méi)坐標(biāo)變換,計(jì)算公式簡(jiǎn)單,但為了實(shí)現(xiàn)BB控制,必須在一個(gè)開關(guān)周期中計(jì)算很多次,要求計(jì)算速度快,以ABB公司
11、的ACS600系列為例,它的計(jì)算周期是25μs。在VC中測(cè)量電壓電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值,然后一周期計(jì)算一次,對(duì)計(jì)算速度要求低,以Siemens公司的6SE70系列為例,他計(jì)算周期是400μs,相差16倍。矢量變換計(jì)算只不過(guò)4個(gè)乘法和兩個(gè)加法,以現(xiàn)在處理器的能力看,它算不了什么。另外以定子磁鏈為基礎(chǔ)也不是DTC的專利,有的VC系統(tǒng)也以定子磁鏈為基礎(chǔ)。根據(jù)產(chǎn)品樣本,ACS600(DTC)轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)時(shí)間是5ms,6SE70(VC)也是
12、5ms,再快的響應(yīng)機(jī)械也受不了。有人認(rèn)為,DTC利用磁鏈幅值的BB控制得到近似圓形磁場(chǎng),磁鏈幅值的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng),而VC是連續(xù)控制,磁鏈幅值不變,無(wú)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。這種看法也欠妥,DTC中由于存在轉(zhuǎn)矩BB控制,轉(zhuǎn)矩平均值不會(huì)受磁鏈變化影響而波動(dòng),磁鏈變化只影響電流波形對(duì)于VC,由于變頻器按PWM模式工作,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)是不可控制,也不是連續(xù)控制,同樣存在電流脈動(dòng)并導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題,6SE70的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為2%。綜上所述,作者認(rèn)為這兩種系
13、統(tǒng)無(wú)本質(zhì)區(qū)別,只不過(guò)在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)走了不同的路,不存在誰(shuí)優(yōu)于誰(shuí),誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。4有速度(位置)傳感器和無(wú)速度(位置)傳感器系統(tǒng)在矢量控制和直接力矩控制系統(tǒng)開發(fā)的初期都要求在電機(jī)軸上裝設(shè)編碼器,測(cè)取速度(位置)信號(hào),有些場(chǎng)合安裝編碼器困難,所以又開發(fā)了無(wú)速度傳感器系統(tǒng)。無(wú)速度傳感器系統(tǒng)現(xiàn)在是熱門話題,方法很多,但真正用于工業(yè)產(chǎn)品的都基于同樣原理電壓、電流模型法。電壓模型使用電機(jī)參數(shù)較少,在速度高于510%(高速)時(shí),計(jì)算精度較高,低于
14、510%(低速)時(shí),由于電壓太小,計(jì)算誤差大。電流模型使用電機(jī)參數(shù)多,特別是受轉(zhuǎn)子電阻變化影響大,計(jì)算誤差略大,但這誤差與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。在有速度傳感器的系統(tǒng)中,高速時(shí)使用電壓模型,控制精度高低速時(shí)使用電流模型,精度雖不如高速時(shí),但仍能正常運(yùn)行。在無(wú)速度傳感器系統(tǒng)中,高速時(shí)轉(zhuǎn)速角速度靠比較電壓電流模型計(jì)算結(jié)果辨識(shí)得到,因此只能達(dá)到有速度傳感器系統(tǒng)的低速時(shí)水平低速時(shí)由于電壓模型不準(zhǔn),基準(zhǔn)沒(méi)了,無(wú)法辨識(shí),系統(tǒng)只能拋棄矢量控制,改為開環(huán)工作。現(xiàn)在市
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