变频调速系统的发展现状与展望
时间:2019-03-25 07:30:23 来源:一碗水门户网 作者:匿名


在当前的全球经济发展过程中,有两个重要的相互交织的界限:能源和环境。能源紧张不仅限制了许多发展中国家的经济增长,而且给许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也经常成为世界关注的热点。能源的开发和利用对保护环境有重大影响。全球变暖和酸雨等一系列环境灾害与能源的开发和利用有关。

能源产业作为国民经济的基础,对社会经济的发展和人民生活水平的提高至关重要。在快速发展的经济环境中,中国的能源产业面临着经济增长和环境保护的双重压力。据一些消息来源称,由于资本,技术和能源价格的影响,中国的能源效率远低于发达国家。在20世纪90年代,中国高耗能产品的能耗一般比发达国家高出12%-55%。在采矿,加工转换,储存和运输以及终端利用期间,超过90%的能源损失和浪费。如果国家比较国民生产总值能耗(标准煤吨数/千美元)(在20世纪90年代中期),中国是瑞士,意大利,日本,法国,德国,英国的14.4倍,11.3倍,10.6倍,美国和加拿大。 8.8倍,8.3倍,7.2倍,4.6倍和4.2倍。 1995年,中国的火电厂煤耗为412克标准煤/千瓦时,是国际先进水平的1.27倍。

可以看出,在中国,能源的有效利用是非常迫切的。作为主要的能源消费者之一,电机具有很大的节能潜力。中国电动机总装机容量已达4亿千瓦,年耗电量达到6000亿千瓦时,约占工业用电量的80%。在中国使用的所有类型电机中,80%以上是0.55-220 kW或更低的中小型异步电动机。中国电机驱动系统的总体设备水平仅相当于20世纪50年代发达国家的水平。因此,在国家“十五”计划中,电机系统节能投资将高达500亿元,因此变频调速系统在中国市场需求将非常巨大。目前,国内变频调速系统的研究非常活跃,但在工业化方面还不是很理想,大部分市场仍然被外国公司占据。因此,为了加快国内变频调速系统的发展,有必要全面了解国际变频调速技术的发展趋势和国内市场需求。

随着计算机技术的发展,人们越来越依赖于生产和生活中的数字信息。如果计算机是大脑而网络是神经,那么电机驱动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合是现代工业发展的方向。为了使AC速度控制系统和信息系统紧密集成,并且为了提高AC速度控制系统本身的性能,AC速度控制系统必须完全数字化控制。

单片微计算机已广泛用于交流调速系统。例如,1983年由英特尔公司开发和生产的MCS-96系列是目前的高性能MCU系列之一,适用于高速,高精度工业控制。其高档型号:8×196KB,8×196KC,8×196MC等广泛应用于一般的开环交流调速系统。

随着交流电机控制理论的不断发展,控制策略和控制算法变得越来越复杂。扩展卡尔曼滤波,FFT,状态观测器,自适应控制,人工神经网络等都应用于各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制。因此,DSP芯片在全数字高性能AC速度控制系统中找到了发挥其才能的舞台。例如,TI的MCS320F240和其他DSP芯片已成为具有高性能和价格比的全数字交流调速系统的首选。最近,TI的MCS320F240X系列产品已将价格降至微控制器的水平。

在交流调速全数字化的过程中,各种总线也起着非常重要的作用。 STD总线,工业PC总线,现场总线和CAN总线在交流调速系统的自动化应用中发挥着重要作用。PWM控制是交流调速系统的控制核心。任何控制算法的最终实现几乎总是在各种PWM控制模式下完成。已经提出并且投入实际使用的PWM控制方案不超过十几种。关于PWM控制技术的文章已经在许多着名的电力国际会议上形成了一个专题,如PESC,IECON和EPE。特别是在将微处理器应用于PWM技术并数字化之后,从最初追求电压波形的正弦,到电流波形的正弦,到磁通的正弦,不断地翻新图案;从最佳效率,最小转矩脉动消除噪声,PWM控制技术的发展经历了不断创新和持续改进的过程。到目前为止,已有新的提案,进一步证明该技术的研究方兴未艾。

其中,空间矢量PWM技术由于电压利用率高,控制算法简单,电流谐波小,在交流调速系统中得到越来越多的应用。

在低功率交流调速方面,由于国外产品的规模效应,国内制造商无法在价格,工??艺和技术方面与之竞争。在高压和高功率方面,外国公司给我们留下了追赶的空间。首先,国外电网电压一般为3000V,中国电网电压等级为6000V和10000V;其次,高压大功率交流调速系统无法进行大规模量产,而国外劳动力成本尤其具有一定的专业知识,劳动力成本较高。

目前,研究了许多大功率逆变电路:

多级电压逆变器

变压器耦合多脉冲逆变器

交出变频器

双馈交流变频调速系统

(1)多电平电压型逆变器

A. Nabae等。日本长冈科技大学在1980年的IAS年会上首次提出了一种三电平逆变器,也称为中性点钳位逆变器。它的出现为高压大容量电压逆变器的发展开辟了新的思路。与普通的两电平逆变器相比,多电平逆变器具有以下优势:

1.更适合大容量,高压应用。

2.可以产生M层梯形输出电压,并且可以调制阶梯波以获得良好近似的正弦波。理论上,可以将电平提高到接近纯正弦波类型,并且谐波含量很小。

3.电磁干扰(EMI)问题大大减少,因为在一次操作中开关元件的dv/dt通常仅为传统双电平的1 /(M-1)。

4.效率高,消除相同谐波,双开关PWM控制方式,开关频率高,损耗高,多电平逆变器可采用低频开关,低开关频率,低损耗,高效率。

(2)变压器耦合多脉冲逆变器

在变压器耦合多脉冲逆变器的三电平电路中,为了获得更多电平,仅需要增加每相串联连接的单元逆变器桥的数量。它的优点是:

1.没有电压均衡问题。无需钳位二极管或电容,适用于速度控制;

2.模块化,维护方便;

3.对于相同数量的级别,所需的最小设备数量;

4.无钳位二极管或电容器限制,可实现更高电平,更高电压和更低谐波;

5.控制方法比较简单,每个阶段可以单独进行PWM控制,然后重新组织波形。

当然,这种结构的缺点是需要大量隔离的直流电源,应用受到限制。

(3)移交逆变器

交流变频器采用晶闸管作为主要功率器件,对轧机和矿用绞车传动有很大的需求。晶闸管的最大优点是开关功率大(高达5000V/5000A),适用于大容量交流电机调速系统。同时,大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟,通过数字化与现代交流电机控制理论相结合,具有很强的竞争力。然而,逆变器的传输存在一些固有的缺点:速度调节范围小。当电源为50 Hz时,最大输出频率不超过20 Hz。另一方面,功率因数低,谐波污染大。因此,需要同时进行无功功率补偿。波治理。(4)双馈交流变频调速系统

双馈交流变频调速系统的变频器功率小,功率因数可调,系统可靠性高,近来受到众多研究者的关注。由于逆变器的功率仅占电动机容量的25%,因此可以大大降低系统的成本。但是,双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计,不能使用普通的异步电动机;它受变频器容量和调速范围的限制,不具备软启动能力。

具有V/f恒速开环控制的通用变频调速系统和转差频率闭环频率控制系统基本上解决了异步电动机平稳调速的问题。然而,当生产机械对速度控制系统的动态和静态性能提出更高要求时,上述系统仍然略逊于直流速度控制系统。原因在于系统控制定律是从稳态等效电路和异步电动机的稳态转矩公式推导出稳态值控制,而不考虑过渡过程,系统的动态响应。稳定性,起动和低速。其他方面的表现并不令人满意。

考虑到异步电动机是一种多变量,强耦合,非线性时变参数系统,很难通过施加的信号直接精确控制电磁转矩,但如果转子磁链的转动空间矢量用作参考坐标,静止坐标系和旋转坐标系之间的变换可以将励磁电流分量和定子电流的转矩电流分量分成标量,并进行单独控制。因此,通过坐标变换重建的电动机模型可以等效于DC电动机,从而可以像DC电动机那样执行快速转矩和磁通控制,即矢量控制。

与矢量控制不同,直接转矩控制屏幕丢弃解耦思想,取消旋转坐标转换,简单检测电机定子电压和电流,通过瞬时空间矢量计算电机的磁链和转矩理论上,并根据这些值进行比较,以获得磁链与转矩之间的直接差异。

虽然矢量控制和直接转矩控制大大提高了交流调速系统的性能,但仍有许多领域需要研究:(1)准确估算或观察磁通量

(2)没有速度传感器的控制方法

(3)在线识别电机参数

(4)极低速,包括零速时的电机控制

(5)电压重建和死区补偿策略

(6)多电平逆变器的高性能控制策略

在交流调速的研究和制造过程中,硬件设计和装配占相当大的比例。电动机的制造和速度控制装置的制造需要大量的技术工人,这对人员的质量有一定的要求。外国相关产业的劳动力成本相对较高。在过去的十年中,交流调速的制造业可能会转移到发展中国家。对中国来说,这也是一个机会。如果我们抓住这个机会,然后利用自己的市场优势,就有可能在中国形成交流调速系统的制造中心,这将把中国的工业带到一个新的水平。应该指出的是,发达国家不会轻易放弃高科技领域。他们非常重视核心技术和软件的保护和机密性。为此,有必要加大该领域的研究和开发。