變頻器,作為工控領(lǐng)域中的“老熟人”,已經(jīng)活躍在各種行業(yè)生產(chǎn)一線幾十年了,它承擔(dān)著電機調(diào)速的重任,無論是改善生產(chǎn)工藝還是節(jié)能,都扮演著不可缺少的角色。而從專業(yè)角度來講,它其實是一種應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù):通過改變交流電機電源頻率的方式,來控制交流電動機轉(zhuǎn)速的電力控制設(shè)備。
那么,變頻器對于電機調(diào)速究竟有什么意義?交流電機調(diào)速為什么“非他不可”?關(guān)于變頻器的重要性,我們從以下幾個方面來了解一下它的誕生和發(fā)展過程。
變頻器誕生前的時代背景
工業(yè)生產(chǎn)中,使用電機對物體或部件的速度、位置進行準確的控制,是一個必要的過程,比如:起重設(shè)備,織機設(shè)備,物料傳送帶,收放卷...等各種不同類型的機器設(shè)備。
在電機調(diào)速技術(shù)還不成熟的時候,人們只能采用一些機械輔助件去解決物體運動控制的問題,比如:齒輪箱、離合器...等復(fù)雜的機械傳動裝置,如果遇到一些無法自由調(diào)節(jié)電機的情況,為了達到某種運動目的,就需要更換齒輪箱,改變傳動比,或者是切換離合器,這個過程不僅非常費時,而且對機械的損耗也非常大。
另一類流體控制應(yīng)用場景中,電機通過帶動葉輪轉(zhuǎn)動,從而推動氣體、液體流動或使其產(chǎn)生相應(yīng)的氣壓,液壓,早期同樣是由于無法自由的控制電機轉(zhuǎn)速,只能通過管道內(nèi)的閥門進行開閉,來實現(xiàn)對流體流量和壓力的控制,這樣的控制模式非常浪費電能。
在沒有變頻器的年代,由于無法自由的調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,為了達到某種運動目的,傳統(tǒng)的機械不得不增加很多配件,這不僅增加了整體系統(tǒng)復(fù)雜性與成本,還限制了設(shè)備的性能和發(fā)展空間,為了解決這些問題,推出簡單而高效的電機調(diào)速技術(shù),一直是工業(yè)傳動研究的熱點和痛點。
電機調(diào)速的困局
早期電機調(diào)速的重點一直是直流電機,其主要原因之一,就是人們首先掌握的是整流技術(shù),而且直流電機的機械特性,也非常適宜某些場景需求,最簡單的調(diào)整電樞電壓的方法就是串入電阻,阻值越大,壓降越大,直流電機轉(zhuǎn)速越慢。
然而,直流電機的缺陷也是非常明顯的,例如:集電環(huán)及碳刷需要定期維護、直流電機制造工藝復(fù)雜,制造成本高等。這就意味著,在大范圍的電機應(yīng)用中,直流電機并不適合。
而交流電機與直流電機相比,內(nèi)部結(jié)構(gòu)就要簡單很多,沒有換向器等結(jié)構(gòu),制造方便,牢靠穩(wěn)定,適合于高轉(zhuǎn)速,高電壓,大電流的應(yīng)用場合,唯一需要解決的便是交流電機的調(diào)速問題。
變頻器的演化
Nikola Tesla發(fā)明交流電機
早在 1888 年,交流電和交流電機就已經(jīng)問世,但在之后很長一段時間,交流電機都因為其結(jié)構(gòu)原因,只能以一個或多個固定的速度運行,其轉(zhuǎn)速與頻率成正比,與極對數(shù)成反比:
n = 60 f( 1 - s )/ p
從以上公式可以看出,轉(zhuǎn)差率 s 和極對數(shù) p 都是電機的固有特性參數(shù),在電機制造完成后就不能改變了,若想自由的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,只有改變其動力電源的輸入頻率f;而在變頻器誕生之前,基本沒有什么手段能自由調(diào)整電網(wǎng)電壓的頻率。
到了20世紀80年代,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,尤其是微處理器和晶閘管越來越成熟,已經(jīng)可以使用微處理器控制晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)了。這樣,使用微處理器控制上下橋開關(guān)元件的導(dǎo)通閉合,按照特定的時序連續(xù)完成動作,就能夠?qū)⒅绷麟娮儞Q為交流電,這也就是我們經(jīng)常說的逆變技術(shù);同時,我們可以調(diào)整功率元件開閉的動作周期,即可以實現(xiàn)對逆變輸出頻率的調(diào)節(jié)。
最后,再結(jié)合整流技術(shù),我們就能依據(jù)所需電源的幅值和頻率,把電網(wǎng)的標準頻率,快速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率,相應(yīng)電壓的交流電,從而改變電機的輸入頻率,實現(xiàn)對交流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制;經(jīng)過漫長的技術(shù)發(fā)展和科學(xué)家不懈努力,變頻器在一次次應(yīng)用中升級和演化,慢慢變成了今天我們所看到的樣子。
變頻器三階段
了解完變頻器的從無到有,接下來介紹一下變頻技術(shù)的發(fā)展,總結(jié)起來基本上可以分為以下三個階段:
電力電子器件的更新?lián)Q代
隨著半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展,我們采用全控型器件代替半控型晶閘管(SCR),把輸出的波形變化為脈寬調(diào)制的PWM波形,大大減小了諧波分量,增加了異步電機調(diào)速范圍,減小了轉(zhuǎn)矩的波動。
IGBT的工作頻率一般可以達到10~20kHz之間,與三極管BJT的2kHz以下相比,工作頻率高出一個數(shù)量級,尤其是在一些電壓和電流指標方面,均已超過了使用BJT,例如電流浪涌耐量、電壓阻斷峰值等。由于使用IGBT,可以提高載波頻率,甚至可以形成所需的PWM波形,這樣可以大大降低諧波噪聲,因此在目前變頻器應(yīng)用中,IGBT已經(jīng)基本替代了BJT。
而IPM,即智能功率模塊,以IGBT為開關(guān)器件,不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起。而且還內(nèi)部集成有過電壓,過電流和過熱等故障檢測電路,并可將檢測信號送到CPU。即使發(fā)生負載事故或使用不當(dāng),也可以保證IPM自身不受損壞。
控制方式的發(fā)展
早先的變頻器控制方式采用的是恒壓頻比,即V/f控制。V是指電壓的有效值,改變V/f只能調(diào)節(jié)電機的穩(wěn)態(tài)磁通和轉(zhuǎn)矩。為了提高低頻情況下的轉(zhuǎn)矩,都需要進行轉(zhuǎn)矩提升,通常采用補償電壓的方式,有的還可以隨負載變化補償定子繞組電壓降。
后來變頻器出現(xiàn)了一種新的控制方式—矢量控制,它的基本原理就是建立等效直流電機的模型,將異步機的定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分開控制?刂苿畲攀噶渴亲钪饕,所以又把矢量控制稱為磁場定向控制,而轉(zhuǎn)矩的控制則是間接的。
矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
矢量控制需要坐標變換運算以及需要檢測實際的轉(zhuǎn)速信號,所以都需要速度傳感器進行反饋,也就是閉環(huán)矢量控制。而之后,提出了一種無速度傳感器矢量控制的方案,它是根據(jù)電機實際運行的相電壓和相電流以及定轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)進行計算,進而計算出轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩電流的觀測值,從而實現(xiàn)磁場定向的矢量控制。
與矢量控制并行發(fā)展的還有一種方式稱為直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC),它強調(diào)對于轉(zhuǎn)矩的直接控制。其做法是依據(jù)測量到的電機電壓及電流,去計算電機磁通和轉(zhuǎn)矩的估測值,而在控制轉(zhuǎn)矩后,也可以控制電機的速度。
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
功能多樣化
目前的變頻器憑借功能很強的微處理器,除了能完成電動機變頻調(diào)速的基本任務(wù)以外,還內(nèi)置有多種功能。例如:
(1)自動加減速。
(2)程序運行。
(3)自動節(jié)能運行。
(4)電機參數(shù)自學(xué)習(xí)。
(5)PID控制運行。
(6)通信和反饋功能。
上世紀70年代西門子工程師首先提出異步電機矢量控制理論,來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題, 而對于直接轉(zhuǎn)矩控制來說,一般文獻認為它由德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年分別提出的?梢,國外對于電機控制的研究成果是早于我國,其變頻器產(chǎn)品也是早于我們國內(nèi)品牌進入到大眾視野的。
現(xiàn)在,隨著我國眾多工程師在這塊領(lǐng)域里的不斷學(xué)習(xí)與鉆研,國內(nèi)的變頻器行業(yè),無論是在品牌、性能,還是價格方面,都在很大程度上滿足了我國的工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。希望未來我們國內(nèi)的變頻器品牌都能用心做好每一款變頻產(chǎn)品,為智能制造2025的未來添磚加瓦。