1 概述

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題。作者根據(jù)自己多年來在該領(lǐng)域中的體會(huì)，就下面幾個(gè)問題談?wù)勛约旱目捶?。各種產(chǎn)品，只要它們?cè)谑袌錾险镜米∧_，就必然有它們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。市場是無情的，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。作者希望通過本論壇引起討論，去掉商業(yè)炒作，還事物以本來面目。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)。有些場合安裝編碼器困難，所以又開發(fā)出無速度(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，無編碼器系統(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，將來還可能提至20KW。用戶從簡化配置出發(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)11萬6KV重3.9T，價(jià)15萬10KV重4.4T，價(jià)20萬。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，速度通過轉(zhuǎn)矩來改變，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。磁鏈不能直接測量，需要通過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

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沒坐標(biāo)變換，計(jì)算公式簡單，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，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)無本質(zhì)區(qū)別，只不過在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)走了不同的路，不存在誰優(yōu)于誰，誰取代誰的問題。4有速度(位置)傳感器和無速度(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，測取速度(位置)信號(hào)，有些場合安裝編碼器困難，所以又開發(fā)了無速度傳感器系統(tǒng)。無速度傳感器系統(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)沒了，無法辨識(shí)，系統(tǒng)只能拋棄矢量控制，改為開環(huán)工作?，F(xiàn)在市