变频器的控制方法

发布时间:2012-09-20

 


     20世纪八十年代,工业领域的通用变频器仅限“V/F控制”,但从九十年代开始,以提高“V/F控制”的低速转矩为目的,导入了“无(速度)传感器控制”的方式。随着包括此后的半导体在内的硬件技术和控制理论技术的进步,控制性能得以飞速提高。
     “带PLG矢量控制”可应对需要更高精度的速度控制领域,从20世纪九十年代开始应用于感应电机。如下表所示,说明以相关速度控制为核心的变频器的代表性控制方式。大体上说,下表从左到右,其性能、精度是越来越高的控制方式。通用性、经济性则与此方向相反。有关无传感器矢量控制,不同的厂家有不同的控制方式和名称,这里举例说明是三菱电机的三菱变频器控制方式。
 

控制方式

V/F控制

无传感器矢量控制

带PLG矢量控制

磁通矢量控制

实时无传感器矢量控制

速度控制范围

1:10(6~60Hz:动力运行)

1:120(0.5~60Hz:动力运行)

1:200(0.3~60Hz:动力运行)

1:1500(1~1500r/min:动力运行和再生)

响应

6~60 (rad/s)

20~30 (rad/s)

120 (rad/s)

300 (rad/s)

速度控制

转矩控制

×

×

位置控制

×

×

×

概要

是采用变频器通用控制方式:控制电压、频率的比率恒定。

是为改善V/F控制时的低速转矩降低,通过计算电机电流矢量,补偿输出电压的控制。

通过无PLG的标准电机,根据电机参数和电压、电流特性计算、推断电机速度来控制。

是将电机电流分解为励磁电流分量和转矩成分电流分量,独立控制各电流的方式。可高精度、高响应地进行转矩和位置控制。

通用性

应用在标准电机上,从调整要素少这一点来看,通用性较好。

需有电机参数,但调整要素较少,结构比较简单。

需有电机参数且需调整控制增益。

需有带PLG电机参数且需调整控制增益。


(1)V/F控制
     基本的变频器控制方式就是改变频率来控制电机。仅靠改变频率会因电流增大而使电机发热、烧坏,因此保持V(输出电压)和F(频率)的比率恒定的方式就是V/F控制。该V/F控制在工业领域的应用示例很多,今后也将会应用于更广泛的领域。
<特征>
 (1)控制方式简单,从调整要素较少且不择电机这一点来看,优于通用性。
(2)适用低速电压调整(升压调整),通常用于1:10左右的速度控制。
<补充>
     该控制方式,在低速时由于连线及电机绕组的电压降引起的有效电压衰减,使电机转矩不足。这种现象低速时非常明显。这里通过补偿(转矩提升)电压降低的部分来补偿低速时的转矩不足。
变频器V/F控制
(2)矢量控制
    是对感应电机的励磁电流和转矩电流各自独立地控制,从而控制电机瞬时转矩的方式。为计算实际的电机速度,需采用带PLG电机。
 ※励磁电流:是产生磁通必需的电流,转矩电流分量:对应电机产生转矩的电流。
变频器矢量控制
<特征>
(1)可进行感应电机的瞬时转矩控制,实现高响应、高性能的控制。
(2)以高精度计算时,须求出正确的电机电气参数,不像V/F控制那样,没有对应电机的通用性。另外,还需安装高精度的速度检测器(PLG)。
<补充>
    利用PLG(编码器)检测实际电机速度,通过计算电机的“转差频率”来推断负载的大小。根据该负载的大小,按照磁通电流分量和产生转矩电流分量分解变频器输出电流,然后分别加以计算、控制,以获得高响应性和稳定的低速转矩。 除可进行速度控制和转矩控制外,还可进行位置控制。

(3) 无传感器矢量控制
     前面所述的“矢量控制”性能比较优越,但必须使用速度传感器(PLG:脉冲发生器、脉冲编码器)。因此,利用通用感应电机(鼠笼式)和无传感器(无速度传感器),开发出了多种以V/F控制为课题的提升低速域转矩为目的的控制方式,并将应用延伸至工业领域。
     有关名称和控制方式等,因各变频器厂家而异。下面以本公司为例进行说明。 

控制方式(本公司示例) 说明
通用磁通矢量控制 是将电机电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量加以计算,补偿低速转矩降低和旋转速度波动的方式。即便电机参数稍有差异,也无需进行特别的电机参数设定或调节便可稳定使用,因此实现了诸多领域的高通用性。
磁通矢量控制 进一步提升“通用磁通矢量控制”的性能,使其自动补偿输出频率,以便根据转矩分量电流推断实际速度,以便设定速度的控制方式。
无传感器矢量控制 利用根据电机参数、电压及电流推断出来的电机速度,进行矢量控制的方法。 
因有电流控制环路,故可以控制转矩。

 

<补充>
     由于无传感器矢量控制要使用感应电机的数学模型,因此需有电机参数(等价电阻和线圈部分)。近年来,由于变频器本身自动测量电机参数的自动调节功能已实用化,因此大大地扩大了电机的适用范围。

(4) 节能运行
     变频器的使用领域除了前面所述的电机控制领域(速度等)外,对节能领域也很重要。节能领域一般无需太大的低速转矩,因此与产生转矩相比更看重电机效率。
(1)节能变频器控制方式
     在“变转矩负载(风扇、泵等)”、“低转矩负载(输送机等)”时,降低转速可实现节能。尤其在“变转矩负载”时,所需电能大幅减少,节能效果更为显著。针对这些用途,我们研发出了节能控制模式的变频器。下面以三菱电机产品为例进行说明。

节能控制的方式 说明
佳励磁控制 将变频器输出电流分为励磁分量电流和转矩分量电流进行控制,以使电机自身损失小。 佳励磁控制
降低转矩V/F模式 为驱动变转矩负载时的控制模式。与恒定转矩模式相比,可将节能效果提高3~5%。 降低转矩V/F模式

 

 (2)IPM电机
     坚固、价廉的通用感应电机,被广泛地应用于工业领域,但如从节能角度来考虑感应电机,则会发现由于励磁电流和转子侧二次铜损导致了能量的损失。由于IPM(内置永磁体)电机改正了这个缺点,因此与感应电机相比更加高效。
     通过IPM电机和变频器的组合,在风扇、泵以及鼓风机等变转矩负载时,实现了过变频器驱动高效感应电机的节能效果。
<节能特征>
·采用磁铁产生磁通,无需励磁电流。
·转矩分量电流未流经转子,无二次铜损。
·电机发热小,可实现小型化。
·内置永磁体型,利用了磁阻转矩※,可进一步提高效率。
※磁阻转矩:旋转角度位置上磁阻不同而产生的转矩。
IPM电机(内置永磁体型) 感应电机(鼠笼式)
IPM电机(内置永磁体型) 感应电机(鼠笼式)
 
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