丁玲娟
摘要:變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)就目前而言具備很多優(yōu)點(diǎn),比如節(jié)能降耗、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單與安全可靠等,并且廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中。為了解決變頻器輸出電壓含有高次諧波的問(wèn)題,本文通過(guò)對(duì)變頻技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹和分析,探討了電機(jī)控制中變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用,本文主要針對(duì)電機(jī)與變頻控制系統(tǒng)最佳匹配性問(wèn)題,同時(shí)解決的過(guò)程中提出一些合理的建議。
關(guān)鍵詞:電機(jī);變頻器;驅(qū)動(dòng)控制
引言
隨著經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電子電力、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制技術(shù)在不斷地成熟,而在工業(yè)控制方面,交流傳動(dòng)和控制技術(shù)已經(jīng)成為了非常重要發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái),以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字化技術(shù)正在逐漸取代模擬技術(shù),科技的發(fā)展使得交流調(diào)速取代直流調(diào)速,這也是時(shí)代的主題,同時(shí)也是現(xiàn)階段電氣觸動(dòng)技術(shù)面臨的一場(chǎng)重大革命。交流變頻技術(shù)已然成為當(dāng)下最主要的發(fā)展趨勢(shì),其特點(diǎn)節(jié)能降耗、很可靠、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、利于應(yīng)用等。在改革之前傳統(tǒng)電機(jī)對(duì)于諧波的考慮可以說(shuō)幾乎是沒(méi)有的,但是由于諧波對(duì)于電機(jī)的運(yùn)行性能有著不小的影響,所以以前在使用傳統(tǒng)電機(jī)時(shí),雖然可以有很好的節(jié)能效果,但是始終無(wú)法達(dá)到理想的運(yùn)行性能,在之前一直讓不少人感到困惑。所以由變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)控制的異步電機(jī)的現(xiàn)在的研究有著非常大的意義。
1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理
變頻器通過(guò)RS485接觸口接收主控系統(tǒng)的指令,比如風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào),主要通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)與停止變頻器,由此通過(guò)RS485接口將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變給主控計(jì)算機(jī)。通常轉(zhuǎn)速電纜與變頻進(jìn)行連接以后,風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)后,其轉(zhuǎn)速通過(guò)傳感器采集給變頻器,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行封閉性控制,風(fēng)扇速度在0r/min~5500r/min之間時(shí),精度為±5r/min,風(fēng)扇最快速度為5500r/min,同時(shí),根據(jù)實(shí)際情況風(fēng)扇的控制精度是可以調(diào)節(jié)的。通過(guò)變頻器與電機(jī)的閉環(huán)操控,是可以控制變頻進(jìn)而達(dá)到控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。
由整流電路、濾波電路、制動(dòng)電路等組成的變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng),以電壓的波形為脈沖方波作為輸出,不過(guò)這種形式含有大量的高次諧波成分。
2、變頻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
2.1變頻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理
實(shí)際運(yùn)用中該電路還是達(dá)不到供電電源的使用要求,其電路中的電壓與頻率會(huì)按照一定的比例來(lái)進(jìn)行變化的,兩者不可單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整,采用變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),可以通過(guò)無(wú)極調(diào)速,具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
2.1.1整流電路:整流電路主要采用三相不可控橋式手段進(jìn)行運(yùn)作,將三相交流電通過(guò)轉(zhuǎn)換形成直流電,為接下來(lái)的操作提供電能。
2.1.2濾波電路:采用濾波電路處理整流后含有大量高次諧波電壓。除此之外還能消除電路與逆變電路之間的結(jié)合,進(jìn)而達(dá)到增加功率倍數(shù),消除干擾的作用。
我們都知道電流沖擊過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致整流橋的二極管損壞,而在電機(jī)中,在接觸電源時(shí),由于電壓兩端為零,上電瞬間濾波器電容充電時(shí)電流的沖擊會(huì)非常的大。所以,要在上電的時(shí)候?qū)㈦娮鑂s串聯(lián)接到直流母線中,以此來(lái)限制充電電流。
2.1.3制動(dòng)電路:電路中反饋能量會(huì)對(duì)變頻器造成非常大的損害和影響,如果不能消除,那么對(duì)于電動(dòng)機(jī)的損害會(huì)非常的大,那么制動(dòng)電爐的作用就顯現(xiàn)出來(lái)了,動(dòng)電路的設(shè)置能夠全面抵消此部分能量,這部分能量很大一部分是因?yàn)殡姍C(jī)減速過(guò)程中電機(jī)與轉(zhuǎn)子的速度差造成的,一旦轉(zhuǎn)子的速度過(guò)高或者超過(guò)電機(jī)速度,導(dǎo)致過(guò)量的動(dòng)能增加直流母線濾波電容兩端的電壓,進(jìn)而損害變頻器。
2.1.4逆變電路:逆變管由V1-V6組成的三相橋式整流電路將直流電轉(zhuǎn)換成頻率和幅值都可調(diào)的交電流。逆變模塊的開關(guān)控制信號(hào)經(jīng)常采用脈寬調(diào)制技術(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中調(diào)速系統(tǒng)有兩種方式可調(diào)控分別低開環(huán)控制和反饋控制。對(duì)于開環(huán)控制主要通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)變速度偏差要求的不同場(chǎng)地,轉(zhuǎn)速的精確度并不是調(diào)節(jié)重要變量。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制,開環(huán)控制會(huì)給變頻器一個(gè)信號(hào),根據(jù)信號(hào)變頻器回去調(diào)節(jié)技術(shù)處的相應(yīng)頻率。有一點(diǎn)需要注意,在一些對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求高的多的開環(huán)控制并不適合,因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速與定轉(zhuǎn)度有著一定的誤差,而開環(huán)控制畢竟是電機(jī)本身的控制,對(duì)于這種誤差無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。一般開環(huán)控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)控。而閉環(huán)反饋控制在精確控制方面卻有著更好的表現(xiàn),在開環(huán)的基礎(chǔ)上增加反饋環(huán)節(jié),由反饋信息再次控制,已達(dá)到精準(zhǔn)控制的效果。
2.2變頻器控制技術(shù)
2.2.1.直接轉(zhuǎn)矩控制。此項(xiàng)技術(shù)是1985年魯爾大學(xué)第一次提出的。這項(xiàng)技術(shù)之所以有效解決以上問(wèn)題矢量不足問(wèn)題,并且有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)之前一直不斷改變,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在大功率電力機(jī)車牽引流傳中得到了廣泛的運(yùn)營(yíng)。
2.2.2矩陣式交-交控制。這項(xiàng)技術(shù)與上面兩項(xiàng)技術(shù)不相同,直接挑戰(zhàn)了交-直-交變頻控制輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,除此之外,這種控制方法還省去了中間直流環(huán)節(jié),因此極大性質(zhì)降低了成本。傳統(tǒng)的異步電機(jī)主要是通過(guò)控制電流或者瓷量等方法間接地控制電機(jī)驅(qū)動(dòng),而上面這種方法省去了中間的過(guò)程,采用直接控制的方法,大大降低了消耗,在降低成本的同時(shí),還更加具有了比較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,而當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),其輸出的轉(zhuǎn)矩達(dá)到了150%-200%,效率高,極大地提高了相應(yīng)速度。
3、電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的問(wèn)題及處理方案
現(xiàn)階段大部分的異步電機(jī)都是通過(guò)恒定的電壓和頻率在公共網(wǎng)絡(luò)中獲得電源,由于變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)還不成熟,所以在變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中,有很大一部分都是用傳統(tǒng)的異步電機(jī)替代導(dǎo)數(shù)變頻電機(jī)使用的。這就導(dǎo)致出現(xiàn)了多種情況,會(huì)出現(xiàn)電能獲取方式與設(shè)計(jì)中的變頻驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)不適配情況,這樣就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不夠現(xiàn)象發(fā)生,產(chǎn)生噪音,甚至是增加對(duì)電機(jī)的消耗和磨損。
造成以上問(wèn)題的原因有一下幾點(diǎn):第一點(diǎn)電機(jī)的老化影響電機(jī)的運(yùn)行,變頻器輸出電壓過(guò)程中諧波會(huì)增加電機(jī)的損耗。第二點(diǎn)變頻器調(diào)速范圍,傳統(tǒng)異步電機(jī)有著較弱的超速性能,這樣對(duì)于變頻器調(diào)速范圍造成不小的影響。第三點(diǎn)對(duì)電機(jī)的正常運(yùn)行造成影響,變頻器的機(jī)構(gòu)技術(shù)主要是脈寬調(diào)制技術(shù),實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量的次諧波電流,這種電流可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)故障等原因,嚴(yán)重影響著電機(jī)的正常運(yùn)行。
通過(guò)上面就可以看出影響技術(shù)運(yùn)行的原因有很多,出現(xiàn)的問(wèn)題也有很多,結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)不同的方式采取不同的解決措施,整體來(lái)看解決措施大體分兩個(gè)方向。第一個(gè)從逆變電機(jī)入手對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行改善,但是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的逆變電機(jī)的完善尚未結(jié)束,還未達(dá)到完善的地步,僅僅能夠?qū)鹘y(tǒng)電機(jī)起到有限的作用,研究的進(jìn)程仍然需要加速,以便達(dá)到解決問(wèn)題的地步。第二點(diǎn)也是現(xiàn)階段可用的一點(diǎn),那就是改善驅(qū)動(dòng)電源,通過(guò)對(duì)逆變器的電流波形和電壓波形進(jìn)行調(diào)整,降低該電流中所包含的諧波數(shù)量,以減少對(duì)電機(jī)的損耗,進(jìn)而提升電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性,可通過(guò)濾波器對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償。
結(jié)語(yǔ)
異步電機(jī)采用電頻器供電,其性能與傳統(tǒng)電機(jī)大體相同,但是運(yùn)行效果更好,這與電機(jī)的本體和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)密切相關(guān),第一變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)速系統(tǒng);第二變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)會(huì)變的非常靈活。在未來(lái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)中,采用逆變器實(shí)現(xiàn)逆變電機(jī)的控制是非常重要的組成部分。本文通過(guò)對(duì)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)、和技術(shù)的分析,結(jié)合現(xiàn)實(shí)中存在的驅(qū)動(dòng)電源不匹配問(wèn)題,提出了解決措施,對(duì)改善電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著非常好的現(xiàn)實(shí)意義。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向?yàn)槟孀冸姍C(jī),變頻器在其發(fā)展中的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用,本文就相關(guān)技術(shù)提出了部分發(fā)展意見(jiàn),以期為相關(guān)工作人員提供部分參考。
參考文獻(xiàn)
[1]陳志根.變頻驅(qū)動(dòng)控制及其對(duì)電機(jī)作用的研究[D].華北電力大學(xué),2005.
[2]程樹康,蔡鶴皋.新型電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005,6.
[3]吳紅星.電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制專用集成電路應(yīng)用手冊(cè)[M].中國(guó)電力出版社,2009,7.