不斷演進(jìn)變頻器控制技術(shù)發(fā)展“四部曲”
電力電子器件是變頻器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。無論是交—直—交變頻器還是交—交變
頻器,都是采用電力電子器件作為開關(guān)器件。自 20 世紀(jì) 60 年代后半期開始,電力電
子器件從 SCR(晶閘管)、CTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、
MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、
MGT(MOS 控制晶體管)、MCT(MOS 控制品閘管),發(fā)展到如今的 IGBT(絕緣柵雙極
型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶體管)、IGCT(集成門極換流晶閘管)
以及性能更為完善的 IPM(智能功率模塊)等,電力電子器件的更新促使電力變換技
術(shù)不斷發(fā)展。
計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論是變頻器技術(shù)發(fā)展的支柱。計(jì)算機(jī)技術(shù)使變頻器的功
能從單一的變頻調(diào)速功能發(fā)展為包含算術(shù)、邏輯運(yùn)算及智能控制的綜合功能;自動(dòng)控
制理論的發(fā)展則使變頻器在改善壓頻比控制性能的同時(shí),推出了多種控制方式。回顧
變頻器的發(fā)展歷程,其控制技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段:
1、恒壓頻比 U/f 控制技術(shù),又稱 SPWM 控制方式
一般電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過 n=60f/p(1-s)進(jìn)行計(jì)算。式中,n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min),
f 為定子供電頻率(Hz),p 為極對(duì)數(shù),S 為轉(zhuǎn)差率。由公式可知,改變電機(jī)的供電頻
率 f 就可平滑地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。早在 20 世紀(jì) 20 年代,變頻調(diào)速的優(yōu)越性即被發(fā)現(xiàn),
包括調(diào)速精度高、范圍寬、起動(dòng)平滑、性能穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便等,并易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程
的自動(dòng)化控制,但當(dāng)時(shí)還不具備改變頻率的手段。閘流管的問世,為變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)
提供了可能。但由于設(shè)備龐大且昂貴,使它無法進(jìn)入實(shí)用階段。
20 世紀(jì)的 60 年代,隨著晶閘管的出現(xiàn)及其應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展,變頻調(diào)速開始
進(jìn)入實(shí)用階段。早期變頻器采用恒壓頻比 U/f 控制技術(shù)。其基本原理為,在額定頻率
以下,如果電壓一定而只降低頻率,那么氣隙磁通就要過大,造成磁路飽和,嚴(yán)重時(shí)
燒毀電動(dòng)機(jī)。因此為了保持氣隙磁通不變,就要求在降低供電頻率的同時(shí)降低輸出電
壓,保持 U/f=常數(shù),即保持電壓與頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制方式為恒壓頻
比控制方式,又稱為恒磁通控制方式,它是采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)控制半導(dǎo)
體器件開通和關(guān)斷,將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ㄐ螤畹碾妷好}沖序列,實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的
控制,在調(diào)節(jié)頻率 f 的同時(shí),調(diào)節(jié)輸出電壓 U 的大小,通過 U 和 f 的配合實(shí)現(xiàn)不同類
型的調(diào)頻調(diào)壓來進(jìn)行調(diào)速。在額定頻率以下,磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定,因此屬于恒轉(zhuǎn)
矩調(diào)速。
U/f 控制方式是變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用最普遍的調(diào)速模式,優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成
本較低,機(jī)械特性硬度也較好,能滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求;其缺點(diǎn)是在低頻運(yùn)
行時(shí),由于變頻裝置的輸出電壓較低,對(duì)交流異步電機(jī)的定子阻抗壓降的影響較顯著,
因此造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外,其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能
力和靜態(tài)調(diào)速性能都不盡如人意,其系統(tǒng)性能不高,控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變
化;轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢,電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高,低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在