浅谈IDirve矢量控制四象限高压变频器.docx

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浅谈IDirve矢量控制四象限高压变频器一、前言高压变频器行业在我国经历了认知阶段、组装阶段和研发制造阶段;上世纪90年代以来我国国内企业开始进入高压变频器行业。本土企业的兴起推动高压变频器市场价格下降，随着应用的普及其用户群不断扩大，逐步形成产业规模。在过去的几年里，国内高压变频器行业迅速发展，部分企业开始研制矢量控制和四象限(PWM能量反馈)等高性能变频器，争取在高端市场应用方面取得突破，打破目前传统两象限产品局限于中低端市场的现状，逐步具备全面替代外资品牌产品的技术实力。目前国内的煤矿提升机调速系统主要有直流调速系统和交流调速系统，直流调速系统采用磁场换向的晶闸管直流可逆调速系统，交流调速系统分为同步机调速系统和异步机调速系统，异步电机主要用转子串电阻调速。上述调速方式落后，运行成本大，且运行效果不理想。采用具有能量回馈特性的矢量控制型四象限高压变频器直接驱动笼式异步电机系统，具有类似直流电机的优良机械特性，具有接近于1的功率因数和大于98%的能量转换效率，节电效果非常显着。亿思特电气自主研发的“IDrive矢量控制四象限高压变频器”，将主要应用于需要能量回馈的频繁加减速或正反转等工况场合，如矿井提升机、轧机等。二、IDrive矢量控制四象限变频器简介2.1系统主电路拓扑采用单元级联式结构，其软件算法主要包含网侧有源逆变及电机侧矢量控制算法。单元级联式多电平高压变频器，电压范围可达10kV，甚至更高;具有极低的输出谐波，极低的转矩脉动和电机噪声，功率因数可达0.98，每个单元设计是完全一致，便于替换，因此易于实现冗余设计;拓扑结构如下图所示;2.2单元主电路拓扑结构由于二极管不控整流器能量传输的不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了普通高压变频器的应用范围;基于能量反馈的系统方案解决上述问题，并且实现了真正的节能目标而不是浪费掉能量。能量回馈型功率单元，控制信号由一个单独的控制模块实现，这个控制模块里面包括采样变压器二次侧绕组的电压信号，以及直流母线电压和电感电流信号，通过直接电流控制实现单元模块的四象限功能和功率因数控制，即此部分的最终结果是保证输出直流母线电压的良好动静态性能。而逆变侧的控制部分和以前的通用高压变频器一致，通过主控芯片实现逆变侧的多电平控制。输入为隔离变压器副边降压绕组的三相，IGBT的控制信号为经光纤传输过来的PWM信号控制其导通和关断，输出经单元串联后到电机。单元拓扑结构图如下所示;2.3高压变频器电机矢量控制实现2.3.1变频器电机控制算法简介高压变频器的主控算法采用载波移相算法控制实现电压叠加，但其核心VF或VC等算法思路基本沿用了低压变频器，在低压变频器领域，其软件算法经历了四代：第一代以U/f=C，正弦脉宽调制(SPWM)：高压变频应用工作原理：单元级联模式高压变频器采用载波移相算法，一般采用预期正弦波作为调制波，标准三角波作为载波，异步/同步调制方式进行比较移相后输出一系列标准正弦脉宽方波，由等面积法，可得到预期的叠加正弦波;其控制原理/控制电路简单，在这种控制方式下异步电动机表现出来的机械特性硬度较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在各个领域如电厂、水泥厂等很多工况的风机、泵类负载广泛应用。但这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显着，故造成输出最大转矩减小。且其控制原理是基于电机的稳态方程而来，所以动态转矩及静态调速性能都还不尽如人意，不适宜用于高性能的调速场合。第二代以电压空间矢量(磁通轨迹法)，又称SVPWM控制方式。第三代以矢量控制(磁场定向法)又称VC控制：矢量控制思想是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，输出实时的三相正弦电压值，通过载波移相控制算法，实现对异步电动机的控制。第四代直接转矩控制，又称DTC控制1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(DirectTorqueControl简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。2.3.2、矢量控制算法其矢量系统的控制系统框图为：在基于转子磁场定向的矢量控制系统中，首先把电机三相电流等同于两相静止的α-β轴坐标系，然后再转换成旋转的D-Q轴坐标系，此时：注：并使D轴与转子磁通方向重合，此时转子磁通的Q轴分量为零，可以得到：把此式带入上式，经过化简可以得到：矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是对定子电流的控制。借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据上述转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制，就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中，需用到静止和旋转的坐标系，以及矢量在各坐标系之间的变换，交流电机的矢量控制，需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成α和β两相静止坐标系(Clarke变换)，也叫三相-二相变换，再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系(Park变换)，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流);Iq相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标逆变换(Park逆变换)(Clarke逆变换)，实现对电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交解耦控制，实现低频大转矩能力。IDrive矢量控制四象限变频器，可广泛应用于提升类负载、对转速控制精度及速度要求苛刻、要求低频大转矩等复杂工况，帮助用户进一步提高工艺自动化水平，节能减排，增加更多的经济收益。