变频调速系统
摘 要：20世纪90年代以来，机电传动控制领域面貌焕然一新。各种类型的鼠笼式异步电动机压频比恒定的变压变频调速系统、同步电动机变频调速系统，交流电动机矢量控制系统、鼠笼式异步电动机直接转矩控制系统等，在工业生产的各个领域中都得到了广泛的应用，覆盖了机电传动调速控制的各个方面。交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统已在逐步地全面取代直流调速系统。目前在交流调速系统中，变频调速系统应用最多、最广泛，变频调速技术及其装置仍是21世纪的主流技术和主流产品。现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和电量检 测器等四大部分组成。电力电子功率变换器与控制器及电量检测器集于- -体，称为变频器。
关键词：变频调速系统；领域 应用实例；变频器 选择。
- 变频调速控制系统的研究背景
当前全球经济发展过程中,有两条显著的相互交织的主线:能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长,也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。
能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源I业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%-55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果 进行单位GNP能耗(吨标准煤/千元)的国家比较(90年代中期) ，中国分别是瑞土、意大利、日 本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、 11.3倍、 10.6倍、 8.8倍、 8.3倍、 7.2倍、 4.6倍、 和 4.2倍。1995年， 中国火电厂煤耗为412克标准煤/kWh,是国际先进水平的1.27倍。
由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之-的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的 80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55- 220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
目前，国内变频调速系统的研究非常活跃,但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和 国内的市场需求有一个全面的了 解。
- 高性能交流调速系统的性质
V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于,系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、 非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来,进行分别控制。这样，通过 坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机, 从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
矢量控制的优点：一是控制精度高，二就是低转速输出转矩大。可以输出额定转矩150%-200%的转矩。因为矢量变频是把电机电流分解为D轴电流和Q轴电流，其中D轴电流是励磁电流，Q轴电流是力矩电流。通过把D 和Q分开控制，可使电动机得到更大的启动转矩。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做'转矩提升'。此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不足的技术。使用矢量控制，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量），矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定其分量的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩，因此使用矢量型变频器对改善电机低速时温升也有效。
但是另一方面矢量控制存在下列问题：
1.转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性。
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