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变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用

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变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用

发布日期:2017-09-14 作者: 点击:

变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用


   由于电力传动特性复杂,电动机频繁正、反向运行,经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中;它的安全性、可靠性亦是至关重要,交流电动机变频技术已日趋完善,变频调速器用于交流异步电动机调速,已成为电动机调速节能最主要的技术。本文主要探讨变频调速在工业电气自动化控制中的运行。


  20世纪70年代初,德国学者Blaschke提出了矢量控制理论,采用现代控制理论的参数重构和状态重构对交流电动机的强耦合对象实行解耦,仿照直流调速原理进行矢量变换,使交流调速的静、动态性能达到了直流调速的水平。80年代中期,德国学者Depenbrock又提出了直接转矩控制原理,避免了矢量控制中繁杂的坐标变换。该方法是在电压型逆变器的工作过程中,通过控制定子磁链与转子磁链的夹角,完成对电动机转矩的直接控制。这一方法的控制过程简单并对电动机模型参数依赖少。近年来,矢量控制和直接转矩控制的交流调速系统中引人了自适应控制、模糊控制、神经元与神经网络控制、模糊神经网络控制等,取得了更好的控制效果。交流调速从20世纪70年代的定子调压调速、绕线式转子串极调速、电磁转差离合器调速到80年代的变频调速,各种技术已发展到实用阶段。随着交流调速的可靠性越来越高,价格越来越低,取代直流调速已成必然趋势。


  1.变频器与节能


  异步电动机在基频以下调速时,通常采用恒压频比带定子压降补偿的控制方式;基频以上调速,则通常采用恒压变频的控制方式。把以上两种情况结合起来,可得到异步电动机变压变频调速控制特性。与DIT算法相对应,根据对称原理,如果在时域把x(n)分解成前后两组,那么在频域就会使X(k)形成奇偶抽选分组,据此形成了另一种普遍采用的FFT结构,称为频域抽选FFT(DIF-FFT)算法,由于它是由桑德(Sande)和图基(Turky)首先提出的,所以通常也称为Sande-Turky算法。


  通用变频器中的制动电路是为了满足异步电动机制动的需要而设置的。在变频器调速系统中,为了使异步电动机减速和停机,可以采用逐渐减小通用变频器输出频率的方法降低异步电动机的同步转速,从而达到使电动机减速的目的,在异步电动机减速过程中,由于同步转速低于异步电动机的实际转速,转子电流的相位将相反,使异步电动机中产生制动转矩,即处于再生制动状态。对于大、中容量的通用变频器来说为了节约能源,?般采用电源再生单元将上述能量回馈给供电电源。而对于小容量通用变频器来说,则通常采用制动电路,将异步电动机回馈回来的能量在制动电路上消耗掉。工程上对再生制动能量的处理,根据通用变频器的容量及应用场合不同,一般有储存、回馈回电网、电阻泄放等方法。


  2.变频调速技术在电气自动化控制中的应用


  2.1.变频调速的特点


  所有的Cyclone II 器件都采用300mm晶圆,并且基于TSMC 90nm、低K工艺制造,确保其高速及低成本。由于使用了最小化的硅区,Cyclone II系列设备可以仅用一个芯片来支持复杂的数字系统,而其成本仅相当于一个专用集成电路。高性能通用变频器是为了满足不同的工程需要,有几种硬件结构:独立式变频器、公共直流母线式变频器和带能量回馈单元的变频器。独立式变频器是将整流单元和逆变单元放置在一个机壳内,是目前应用最多的变频器,一般只驱动一台电动机,用于一般的工业负载。采用的配置方式是JTAG与AS相结合的配置方法,所以配置电路必须既满足AS配置方式也满足JTAG方式。其中配置芯片采用EPCS1。根据上文的配置方式的具体连接方式和各引脚特性。图中串行配置芯片(Serial Configuration Device)采用EPCS1,右侧的10针头插口用于JTAG方式的配置,下侧的用于AS方式的配置。 。高性能通用变频器驱动电梯、升降机、可逆轧机等负载时,都要求四象限运行,所以必须配置能量回馈单元。能量回馈单元的功能是将电动机制动时产生的再生能量回馈给电网。


  2.2.变频调速技术在工业电气自动化控制中的应用


  (1)自适应电动机模型单元。自适应电动机模型单元的作用是通过检测输入电动机的电压和电流来自动识别电动机的基本参数。该电动机模型是直接转矩控制的关键单元。对于大多数工业应用场合,如果转速控制精度大于0.5%可用闭环转速反馈。(3)转矩比较器和磁通比较器。这类比较器的作用是将反馈值分别与其参考值每20ms比较一次,通过用两点式滞环调节器来输出转矩或磁场的状态。(4)脉冲优化选择器。选用Cyclone II EP2C5Q208C8芯片处理信息,然后设计OFDM 调制方式的信号源的FPGA实现,编写了由 5个模块组成了电路,主要实现了星座映射、FFT、插入循环前缀、缓冲模块和D\A的功能,设计了OFDM 信号源,对各个模块的功能进行仿真验证。最后完成了OFDM信号源,包括软件仿真和FPGA 硬件验证。因为电解电容器容量有较大的离散性,这将使它们承受的电压不等,因此,在电容旁各并联一个阻值相等的均压电阻来消除离散性的影响。为了避免在电源接通瞬间流经电容器的充电电流(浪涌电流)过人而烧坏整流电路及造成其他影响,存电路中还加了抑制浪涌电流的措施。


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