通用變頻器技經歷的三個階段
第一階段:
(1) 八十年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,一次生成二相調制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三墾)MF系列等。
(2) 引人頻率補償控制,以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差
(3) 基于電機的穩(wěn)態(tài)模型,用直流電流信號重建相電流,如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值,并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。
(4) 將輸出電壓、電流進行閉環(huán)控制,以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度,同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯,從而可以實現(xiàn)快速的加減速。
之后,1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與 FRNG7/P7系列的設計中,不同程度融入了(2)(3)(4)項技術,因此很具有代表性。三菱日立,東芝也都有類似的產品。然而,在上述四種方法中,由于未引入轉矩的調節(jié),系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。
第二階段:
矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出,以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理,由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜,但同樣可以實現(xiàn)轉矩、磁場獨立控制的內在本質。
矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈,以轉子磁通定向,然后分解定子電流,使之成為轉矩和磁場兩個分量,經過坐標變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是,由于轉子磁鏈難以準確觀測,以及矢量變換的復雜性,使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果,這是矢量控制
第三階段:
1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論(Direct Torque Control簡稱DTC)。直接轉矩控制與矢量控制不同,它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩,而是把轉矩直接作為被控量來控制。
轉矩控制的優(yōu)越性在于:轉矩控制是控制定子磁鏈,在本質上并不需要轉速信息;控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好;所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中,是很自然的事,這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而,這種控制依賴于精確的電機數(shù)學模型和對電機參數(shù)的自動識別(Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數(shù),然后根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子碰鏈和轉子速度,并由磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態(tài)進行控制。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控制精度。
1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控制系列,已達到<2ms的轉矩響應速度在帶PG時的靜態(tài)速度精度達土O.01%,在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響,向樣可以達到正負0.1%的速度控制精度。其他公司也以直接轉矩控制為努力目標,如安川VS-676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列,雖與直接轉矩控制還有差別,但它也已做到了100ms的轉矩響應和正負0.2%(無PG),正負0.01%(帶 PG)的速度控制精度,轉矩控制精度在正負3%左右。其他公司如日本富士電機推出的FRN 5000G9/P9以及最新的 FRN5000Gll/P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設計,性能有了進一步提高,然而變頻器的價格并不比以前的機型昂貴多少。
控制技術的發(fā)展完全得益于微處理機技術的發(fā)展,自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來,專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機開發(fā)用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產品。