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| 不同类型负载对变频器的特殊要求 |
| 发布日期：2015-01-05 16:02:47 查看： |
| 1：轧机用变频器：大功率轧钢机主传动要求有很快的动态响应和相当高的过载能力，过去用直流电动机驱动系统。由于直流电动机的换向器及电刷在大容量方面问题较多，而且维护工作量大，在1970年以后逐步用交流同步电动机及异步电动机变频调速代替直流电动机调速，而且与直流电动机调速相比具有很多优点，其变频器有以下几种。 1）交—交直接变频器（无环流） 西门子公司在20世纪70年代中期提出了矢量控制原理，结合晶闸管变流技术，于20世纪80年代先后推出了粗轧可逆和精轧机主传动交—交直接变频器。 交—交直接变频器主电路采用晶闸管，其整流结构，移相调速原理与直流电动机可控电源系统完全一样，可以充分借鉴直流系统相控技术经验。 对照大容量直流系统，单电动机配三台双绕组变压器和交—交直接变频器的总价相当，性能指标也属同一档次。不过，由于受到输出谐波和转矩脉动的限制，交—交直流变频器输出频率上限为32%～40%，50Hz工频下，采用6脉波，并且电网能力轻装前进时仅为16Hz，而12脉波时可达20Hz，这就将其限定用于在功率（2000KW以上），低速（600r/min以下）的场合。 另外，对于交—交直流变频器的谐波问题，除了整流装置特有的5.7.11.13等各次特征谐波外，还有基波及各次特征谐波两侧出现丰富的旁波。随输出频率上升，旁波频率和幅值都增加。为此，可参照直流传动系统设置动态无功补偿和滤波装置。为了兼顾对旁波的吸收，滤波电路通常应是高通方式而非单调谐，在电感上并联阻尼电阻，在钝化调谐锐度的同时，展宽其有效作用频段。 2）交—交直流变频器（有环流） 按这一方案，电动机每相绕组的电源由2台变压器，2个三相可控整流桥以及串在两桥输出侧的均衡电抗器组成，因此对一台三相交流电动机的控制，需要6台以绕组变压器，6组整流桥，主电路的结构庞大，费用上升。 所谓环流是指在正反组整流桥之间不经过电动机流通的电流，对环流独立地加以调节，可以实现对无功功率，输入功率因素的控制，较少电压波动，改善电动机机力矩平滑性能，可以省掉动态无功补偿装置，只需装设静止谐波滤波器。早在20世纪70年代初期，直流传动中就已经应用了环流控制。 环流的存在，消除了无环流电流换向死区及其谐波效应，也省去了电流断续控制环节，电流环响应有明显提高，转矩脉动几乎趋向于零，输入功率可以提高，显然其总体技术性能优于无环流交—交变频系统。 环流另一积极效应是合装置输出频率比无环流方案高出一倍，即最高可达到电源频率的80%，适用最高转速也由600r/min提高到1200r/min，完全满足精轧机的要求。有环流交—交变频的缺点是主电路设备较多，又增加一套环流控制系统，比较复杂。 3）交—直—交电压脉宽调制变频器：以三菱公司提供的以GTO为元件的交—直—交变频器为例。每台电动机只需一台双绕组变压器，并以中间直流电压（三电平）为界，一次侧和二次侧（负载侧）各有一台相同的变流装置，负荷侧为逆变器，将直流电压变换成三相交流供电动机。其全套设备由高压开关，切换柜，整流柜，逆变柜，励磁柜，操作台以及交流进线电抗器，直流不波电抗器，转子位置检测器，光电编码器等部分组成。 同步电动机变频调速系统可分为两个部分：整流器（电源侧变流器）和逆变器（电动机侧变流器）。整流器的控制系统由速度调节器（ASR），电流调节器（ACR）及整流器触发电路（AT1）组成，这和普通的直流电动机双闭环控制系统基本相同，所不同是因直流母线电流的单方向性，在ASR和ACR之间有一个绝对值发生器，AT1负责逆变桥换相的控制。 同步电动机变频调速系统能否可靠运行的关键在于逆变桥的可靠换相。本系统采用两种换相方式，即在高速时采用反电动势换相法换相，在启动和低速时采用断续换相法换相。 钢铁工业连铸及钢材加工线传动也普遍采用IGBT交流调速。中功率轧机主传动将逐步被采用IGBT元件的交流电动机变频调速所占领。 变频器在电动汽车中的应用：随着变频器技术的不断发展成熟，还有节能需求与城市环保的呼声中，电动汽车，特别是城市公交混合动力电动汽车得到迅速发展，汽车驱动用变频器成为汽车动力系统的未来趋势。 电动汽车驱动方式主要有直流（有刷）电机驱动系统，异步电机驱动系统，直流无刷电机驱动系统，永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统。各种驱动系统中变频器的控制方法因电机不同而各异，驱动系统的特性也各有其优点和不足。笼型异步电机用于电动汽车驱动，具有结构简单，坚固耐用，成本低廉，运行可靠，转矩脉动低，噪声低，转速极限高等到优点，加之其调速控制技术比较成熟，因而相对直流有刷电机驱动系统有比较明显的优势。而永磁无刷直流电动机系统具有更高的效率和功率密度，其矢量变频调速控制技术也逐渐成熟，能量回馈也更加简便，适合于电动汽车的驱动控制。但也存在成本较高，功率容量较小，易产生噪声各转矩波动，最高转速因电动势而受限等问题。 汽车驱动用变频器的设计或选型必须考虑电动汽车的特殊情况。电动汽车电源是蓄电池，蓄电池供电的特点是电压波动大，内阻大。以一组锂离子电池为例，其开路电压随其放电率可以从400V降到320V；当负荷输出为80KW时，在常温下，端电压将降至266V。在低温时，电池容量将会降低，内阻0°C时的电阻比25°C时大2倍多。因此低温运行时，电压还会进一步降低。因此，逆变器设计时，必须考虑在这样的直流电源波动下仍能输出最大所需的逆变电压及功率。同时要研究一些能使变频器输出电压得以提高PWM技术。比如应用三次谐波叠加技术，就可获得比常规的PWM技术高约15%的输出电压。此外，还有3个问题应在设计时加以注意并采取相应措施：一是在低电池电压下，要把蓄电池的全部能量都用上时，要有输出功率的限制措施；二是在电池满充电时，特别是在低温下，对再生制动转矩要加以限制，以防止引起大的电压升高；三是要考虑到电池的充放寿命周期对电池的功率及内阻造成的影响。即使是使用锂离子电池，在1000次充放电周期之后，电池容量也会降到80%。 对于车辆驱动用交流电机的变频控制方案，目前国内外普遍采用的是VVVF（恒压频比）和DTC（直接转矩控制）。恒压频比控制的优点是控制简单，容易实现。缺点是属于开环控制方式，动态性能不好，电源电压利用率低，在用于同步机时容易因突加负载或转速指令突变而发生失步现象。直接转矩控制（DTC），通过检测到的定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的转矩和磁链，并根据与给定值比较得到的差值，实现磁链和转矩的直接控制。DTC控制提出的主要应用场合就是牵引车控制，在转矩脉动和控制精度要求低的场合也能满足系统性能要求，如输出扭矩，动态响应。但是对于系统控制性能指标要求高的DTC控制仍需要进一步研究。 矢量控制技术作为交流异步电机控制的一种方式，已成为高性能变频调速系统的首选方案。 |
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