改善变频器性能方面的若干技术

发表时间:2018-11-25 11:36作者:天津灿华电子科技有限公司

  改善变频器性能方面的若干技术

  控制策略和调制策略在改善变频器性能方面的若干技术和方法,这些方法可以在一个通用的硬件平台上全部由软件实现,有利于模块化和集成化。针对其中的一些技术问题和相应的解决思路和方法,供大家探讨。

  1. 补偿技术

  补偿技术在开环控制中是必不可少的。它包括力矩补偿、滑差补偿和死区效应补偿。在低频时定子电阻的压降相对于变频器输出电压来说已经不能忽略,必须进行补偿,否则输出电压不够,电机在低频时不动或者转速明显下降。滑差补偿主要是针对电机在负载较大时实际输出转速会低于设定的转速而设计的。这两种补偿方法在实现中可以采用简单的固定值进行补偿,改进的方法有利用三相电机电流进行计算补偿,不过只是根据电流幅值的补偿,实际上该方法是标量补偿;更为精确的补偿方法是将三相电机交流电流进行矢量分解,同时将电机的损耗参与计算,这样的补偿效果更好。但是这种方法计算比较复杂,同时对电机的部分参数有一定的依赖性,在实现过程中存在一些困难。

  死区效应补偿技术在开环控制中占有很重要的作用,它能有效的提高输出电流波形的平滑度和减小谐波,同时能够提高输出电压的有效值和减小电机电流的振荡。特别是在要求静音的环境下,人为的提高载波频率,如果没有死区补偿,在低频时电机即使空载也可能不能运行。目前比较常用的死区补偿技术有电流过零点直接补偿法,基于定子磁场定向的电流分解方法,死区电压脉冲宽度补偿方法,无电流传感的死区时间预测补偿方法等。电流过零点判断的补偿方法简单易于实现,但是由于电流波形中噪声成分大,同时负载的波动和外界的任何干扰都会引起过零点的判断失误,过零点有一个死区平台影响低频补偿效果,特别是载波频率比较高时尤为显著。基于定子磁场定向的方法不直接判断电流过零点,而是将定子电流在旋转坐标系中分解得到电流矢量角和死区电压矢量之间的关系进行相应的补偿,如果该方法和死区电压脉冲宽度补偿相结合,效果更为突出。相位角预测的死区时间补偿方法是一种省掉电流传感器的固定补偿方法,该方法首先对电流相位角进行预测,然后对死区时间做出相应的补偿,预测的角度可以根据变频器输出容量的不同在软件中设置,或者由外部修改设定。

  该方法的优点是可以省掉电流传感器,降低成本和系统体积,但是补偿没有根据外部负载变化而相应调整,因而精度和动态性能也会相应的降低。

  2. 电流振荡抑制技术

  交流电机在PWM方式供电的条件下在电机轻载或者空载的时候由于某些原因电机会在一个比较宽的频率段系统会出现局部不稳定现象,这时电流幅值波动很大,输出频率也会有一定改变,电流的振荡有可能会导致系统因为过电流而误触发报警,使系统不能稳定可靠的工作。引起振荡的原因是多方面的,比较普遍的观点是电机和变频器在能量交换过程中引起的,它的出现也和死区效应有很大的关系。对死区效应进行补偿后可以有效的减少振荡的幅度,但是还不能从根本上抑制振荡。一种有效的方法是当振荡发生时,相应改变实际输出的频率或者电压,通过电流形成一个简单的负反馈系统,达到抑制振荡的目的。但是这种方法也有一定的局限性。由于不同电机的振荡频率范围是不一样的,从5Hz~30Hz左右变化,而采用电流的幅值控制,只是一个标量,这就使得控制的效果不佳,系统的鲁棒性降低。如果将定子电流进行分解,直接控制影响能量交换的磁通励磁电流分量,抑制效果就会有较大的提高。更为精确有效的方法是采用智能控制的方法,但是算法复杂,在通用的V/f控制平台上实现比较困难。

  3. 简单磁通矢量控制方法

  普通的V/f控制是建立在稳态电机模型上的,忽略了定子电阻压降,因而对电机动态过程中的状态不能控制,由于是开环控制,对负载的波动或者电机参数变化不敏感,动态性能不高。简单磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基础上对电机电流进行了控制,具体表现在通过把变频器输出的电流进行矢量分解计算得到力矩电流分量和励磁电流分量,然后调节电压使电机电流和负载力矩相匹配,从而改善低速力矩特性。该方法在6Hz时可以提供200%的额定力矩。矢量计算所用到的一些电机参数预先存放在控制器的RAM中,针对某一型号电机这些参数基本上是常数。

  4. 基于无速度传感的矢量控制技术

  对于高性能的交流调速控制系统,速度闭环是必不可少的,转速闭环需要实时的电机转速,目前速度反馈量的检测多是采用光电脉冲编码器、旋转变压器或测速发电机。速度传感器价格比较昂贵,明显增加了系统的硬件成本;对环境的适应能力不强,不利于使用在高温或者振动的场合;信号传输距离受到限制不能在长距离的线路中可靠的工作。因此研究无速度传感器交流调速系统,对提高系统的可靠性、环境的适应性、进一步扩大交流调速系统的应用范围具有重要意义,已经成为国内外学术界和工程界近年来的研究热点。

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