无传感器变频技术及与其它变频技术的区别 点击:0 | 回复:0



汇尼克

    
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发表于:2003-07-29 13:18:00
楼主
1 引言 随着市场经济的发展,用户也对变频器生命周期的成本提出了更高的要求,不希望为额外的功能付出投资。例如,在V/F变频器就可以满足应用要求的情况下选择磁场定向矢量变频器显然造成了浪费。这就涉及到了变频器的选型问题,而要想为某一应用正确的选择变频器,应首先了解该变频器使用了何种控制技术,再来了解变频器对负载所表现的性能。 罗克韦尔自动化公司生产交流变频器其技术已达到世界领先水平。本文基于该公司的各类变频技术产品,讨论了V/F变频技术、磁通矢量技术、磁场定向矢量技术的概念及其应用特点,着重于澄清易于混淆的无传感器矢量控制变频器概念,并对各类变频技术做了比较。 2 技术特点 (1) V/H变频器常应用在简单的开环控制中。V/H变频器只通过调节对电机的输出频率达到系统期望的速度,这类变频器不具备将励磁电流与力矩电流分离的能力,它所处理的是电机定子的总电流,其控制内核为:以实验所得到的电流/频率对照表为依据,当频率增加时,通过已知的频率寻找相应的输出电流值。那么这类变频又是如何增加它的启动力矩的呢?它采用所谓电压突跳法增加启动力矩,即通过增加电机启动电压的方法增加电机的启动力矩[1]。但由于其内部的电流/频率对照表的值是有限的,因此这种方法在改善电机启动力矩方面也就有其局限性。尽管各大公司想尽各种方法改善这种变频的启动及加减速性能,而且有些性能在某种程度上看起来确实象矢量变频,但通过操作比较起来,它仍表现出非矢量技术变频器的性能,这不仅体现在启动、加减速、低频及力矩控制方面,而且在电机抗干扰能力及响应速度等方面也差得很多。 (2) 磁通矢量变频器使用电流调节器的输出做为频率控制器的给定量,这种控制方法虽然改善了变频器的动态响应速度,但在力矩和速度控制方面与V/H变频比较起来并没有根本的变化,只做了很小程度的提高。 (3) 磁场定向控制变频器能够对速度和力矩实现精确调节[2]。这是因为采用该技术的变频器不但可以控制力矩电流、励磁电流分量,而且还控制矢量和与各分量的夹角。磁场定向矢量变频器可以提供优秀的力矩控制特性以及精确的速度调节能力,速度调节范围大,动态响应带宽值高。被解耦的磁通及力矩自适应控制器使得磁通电流及力矩电流互无影响,从而使电机的速度及力矩实现连续调节。 (4) 无传感器矢量技术变频器提供的性能介于V/H变频器与磁场定向矢量变频器之间,关于三种变频器控制技术的量化对比见表格1。无传感器或开环矢量控制可以产生较好的启动、加速及抗干扰性能,在较宽速度范围内可以提供恒转矩特性,其低速性能相对V/H变频器也得到了明显的改善,但这种变频器并不是力矩控制的变频器,不具有调节电机力矩的性能,而且其在动态响应、速度精确调节及调速范围等方面均不如磁场定向矢量变频器。发展无传感器矢量变频器的主旨是:通过该变频器,使电机提供尽可能高力矩/电流比值,即电流每增加一安培有最大力矩增加。而且无传感器矢量变频器通过建立定子磁通饱合监控模型避免了磁通过饱和现象的发生,它可以在零速启动点、加减速阶段、干扰冲击、低频段甚至基频以上使得电机能够提供其固有的最大力矩。 3 无传感器矢量变频器 无传感器矢量技术采取了一种简单而有效的方法。这种方法将注意力集中在两个基本点—1)保持电机磁通最佳;2)只辨识对控制电机具有重要硬影响的电机参数。因此这种技术使得变频器既灵活又利于调节,而且对用户所使用的电机没有特殊要求,即用户不必使用参数定义非常好的电机,也不必对电机参数十分了解。 闭环的相电流传感器及稳态同步的硬件电路可以提供精确的电流信息。对于模拟量偏移校正的精确软件算法、Vq与Vd角的计算及矢量电压有效值的计算可以提供非常精确的矢量模型计算。只有两个对电机控制具有重要影响的参数必须要辨识以产生最大转矩,即定子电阻(Rs)与额定的励磁电流(Id),由此所建立起的电机控制模型就相对简单得多,而且可以为电机控制模型选择非常精确的缺省值,其余许多参数也无需用户做调节,用户在变频器运行前需要做的工作就是录入电机名牌参数,只有在苛刻的应用中才要求对变频器做参数自整定,而且为了使无矢量控制技术变频器更适于用户使用,Rs采用用户熟悉的电压表示,即采用电机定子压降值表示。 无传感器矢量控制变频器输出的有功功率是通过控制电机的励磁电流,使其达到电机的额定励磁电流或接近该电流而实现最大输出的。高效电机的励磁电流所产生的磁通应在磁饱和点附近,从而使电机性能最优。若磁通过饱合,则励磁电流就会增加,从而导致电机定子总电流增加,而此时电机所产生的力矩与电机有临界饱和磁通时相比并为增加,这就造成了能量的浪费,所以电机只有运行于额定磁通时,才会使力矩/电流比值最大,优化电机性能[3]。 罗克韦尔的1336PLUS II变频器通过使用滑差估测器 (该滑差估测器拥有可调时间常数和增益值) 的算法及相关电机参数提供优越的滑差补偿,从而使电机当前转速相对同步转速拥有正确的滑差。这就意味着当干扰冲击电机时,电机不但可以有很小的速降,而且在高增益值的作用下实现快速调节恢复,但同时又未牺牲电机的稳定性,这样在需要手动调节的情况下,几乎没有参数值需要计算或测试,手动调节过程自然就变得简单迅速了。无传感器矢量控制技术可以对任何电机实现良好控制,因为优越控制性能的实现对电机的数据并没有特殊要求。 4 性能测试 罗克韦尔的1336PLUS II系列变频器就采用了无传感器矢量技术,该它满足各种苛刻应用的控制性能要求[4]。启动力矩在电机重载启动时可达电机额定力矩的260%,而且在大多数情况下均不要求通过加大变频器容量来满足要求。速度/力矩测试曲线表明:当电机启动大惯量负载或静摩擦力很大的负载时,1336PLUSII变频器可以产生超常转矩。 无传感器矢量控制算法所产生的力矩使变频器对负载变化的动态响应既快又精确,这使得该类变频器在速度调节领域表现出卓越的性能。力矩控制能力与可调速度环的结合,使变频器可以快速恢复负载变化产生的速度波动。当在稳定的负载状态下定义速度调节时,变频器对阶梯式的负载变化可以给出精确的力矩性能曲线,图1表明1336 PLUS II的速度环调节能力:当变频器使电机运行在额定转速时,负载以梯级递增的方式由零增加到额定负载,变频器对各梯级的响应表明,利用变频器的缺省调节设置,变频器在1.3秒内速度可恢复到稳态,若利用用户的调节设定,在64ms内可恢复到稳态,电流追踪负载的梯级变化按比例增加,但变化稳定而不失控。 使用无传感器矢量控制的1336 PLUS II还有其它一系列特性,例如:加速力矩大、加速时间短等。尽管许多V/H变频器也可以产生大启动力矩,但这种加速力矩不会维持下去,只是瞬间过程,当电机开始向额定转速加速时,这种转速就会马上降得很低,即电机的机械特性表现得很软,限制了系统的加速性能。1336 PLUS II的无传感器矢量算法具有维持大力矩持续产生的能力,因此该产品相对其它产品就具有了较强的竞争力。我们再看图1,从该图可以看出,如果需要,200%额定力矩输出可以持续到电机的额定转速,同时提供最大斜率的加速度。图2显示了无传感器矢量算法的另外一种特性,即自适应电流限制。位于变频器控制模型中的高性能的电流限制器并没有干扰大贯量负载的加速时间。当系统转动惯量很低的情况下,自适应电流限制器可能处于不使能状态,因此向加速斜坡段附加前馈系数可以最大可能地提高系统的响应速度。图2表明,1336 PLUS II可在272ms内完成低转动惯量电机的全速反向运动。 5 展望 随着无传感器矢量技术的向前发展,无传感器矢量技术变频器的性能也会持续得到改善。300:1的调速范围、在低速或零速时产生更大的力矩、更大的带宽值以及其它改善措施都会最大地受益于那些苛刻的应用。结合必要的传动特性,无传感器矢量技术在未来将创建该技术的使用高峰。对那些要求粗略定位、快速加减速和其它高性能要求的应用,普通的无传感器变频器将能满足要求。快速的微处理器、DSP技术和快速响应的算法将使变频器技术上到一个更高等台阶。


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