变频器的发展历史

早期的通用变频器,如东芝TOSVRT-130系列、富士FVRG5/P5系列、SANKEN SVF系列,大多采用开环恒压比(V/F =常数)控制。其优点是控制结构简单,成本低,缺点是系统性能低,更适合风机和水泵调节。

具体来说,它的控制曲线会随着负载的变化而变化;转矩响应慢,TV转矩利用率不高,低速时由于定子电阻和逆变器死区效应,性能下降,稳定性差。

变频器U/F控制系统的改造主要经历了三个阶段;

第一阶段:

1.80年代初,日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或磁通轨迹法)。

该方法基于三相波形的整体生成效应,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目标,一次生成两相调制波形。

这种方法称为电压空间矢量控制。

典型的机型有富士FRN5OOOG5/P5和SANKEN MF系列,在1989左右进入中国市场。

②引入频率补偿控制,消除速度控制的稳态误差。

(3)在电机稳态模型的基础上,利用西门子MicroMaster系列等DC电流信号重构相电流,由此估计磁链的大小,通过反馈控制消除低速时定子电阻对性能的影响。

(4)对输出电压和电流进行闭环控制,提高动态负载下电压控制的精度和稳定性,同时在一定程度上改善电流波形。

这种控制方法的另一个优点是再生引起的过电压和过电流得到明显抑制,从而可以实现快速加减速。

后来,在1991,富士电机推出了FVR和FRNG7/P7系列的知名设计,其中纳入了23。④不同程度的技术,所以很有代表性。

三菱日立和东芝也有类似产品。

然而,在上述四种方法中,由于没有引入转矩调节,系统性能没有得到根本改善。

第二阶段:

矢量控制。

也称为磁场定向控制。

它是由西德的F.Blasschke等人在20世纪70年代初首先提出的,并通过比较DC电机和交流电机来分析和阐述这一原理,从而开创了交流电机等效DC电机控制的先河。

它使人们看到,交流电机的控制虽然复杂,但也能实现转矩和磁场独立控制的内在本质。

矢量控制的基本点是控制转子磁链,对转子磁链定向,然后将定子电流分解为转矩和磁场两个分量,通过坐标变换实现正交或解耦控制。

但由于转子磁链难以精确观测,矢量变换复杂,实际控制效果往往难以达到理论分析的效果,这是矢量控制技术在实际应用中的不足。

此外,还必须直接或间接获得转子磁链在空间的位置,才能实现定子电流解耦控制。在这种矢量控制系统中,需要保持转子位置或速度传感器,这显然给许多应用带来不便。

即便如此,矢量控制技术仍在努力被集成到通用变频器中。从1992开始,德国西门子开发了6SE70通用系列,可以通过FC、VC、SC板分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。

1994年,该系列扩展到315KW以上。

目前6SE70系列除了200KW以下价格高,200KW以上性价比高。

第三阶段:

1985年,德国鲁尔大学的Depenbrock教授首先提出了直接转矩控制(简称DTC)理论。

与矢量控制不同,直接转矩控制不是通过控制电流和磁链来间接控制转矩,而是直接将转矩作为被控量来控制。

转矩控制的优点是:转矩控制是控制定子磁链,本质上不需要速度信息;该控制对除定子电阻之外的所有电机参数都是鲁棒的;引入的定子磁键观测器可以方便地估计同步速度信息。

因此,可以方便地实现无速度传感器。

这种控制方法很自然的应用到通用变频器的设计中,称为无速度传感器直接转矩控制。

但这种控制依赖于电机精确的数学模型和电机参数的自动识别(识别给你ID)。通过ID运算自动建立电机的实际定子阻抗互感、饱和因数、电机惯量等重要参数,然后根据精确的电机模型估算出电机的实际转矩、定子链碰撞和转子转速,通过磁链和转矩的带-带控制产生PWM信号来控制逆变器的开关状态。

该系统能够实现快速的转矩响应速度和高的速度和转矩控制精度。

1995 ABB公司首次推出的ACS600直接转矩控制系列已经达到

其他公司也瞄准直接转矩控制,如安川VS-676H5高性能无速度传感器矢量控制系列。虽然和直接转矩控制还是有区别,但是已经做到了100ms的转矩响应和正负0.2%(无PG)和正负0.01%(有PG)的速度控制精度,转矩控制精度大概在正负3%左右。

其他公司如日本富士电机制造的FRN5000G9/P9和最新的FRN5000GLL/P11系列都采用了类似的无速度传感器控制设计,性能得到了进一步的提升。但是,逆变器的价格并不比以前的型号贵多少。

控制技术的发展完全是因为微处理器技术的发展。自1年INTEL推出8x19965438系列以来,专门用于电机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有了很大的进步。

比如三菱电机开发的用于电机控制的M37705和M7906单片机,德州仪器开发的TMS320C240DSP都是比较有代表性的产品。