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变频调速电机车

发布者:admin     作者:    来源:   发布时间:2016-12-17 16:11:54

一、概述
        变频调速不是指改变交流电动机的磁极对数来使电动机得到极为有限的几种转速的调速方式。它是指交流电动机放弃用传统的标准的三相正弦波交流电源驱动,而是接在由既能改变电源频率,又能改变电源电压的变频器提供的电源来驱动交流电动机,并对其进行无级调速的电机调速技术。
        不管何种机械只要使用,都需要用原动机给其机械提供动力。在绝大多数情况下,各种机械所使用的原动机均由各种交流电动机或直流电动机担任,能够调速是多数工业装置必须具备的功能,通常改变装置的运行速度,可在装置内增加机械变速环节,但这增加了较大的成本及产品的体积,最好的方法是直接在原动机即电机上采用电子装置或电器传动环节。而在需要进行调速的拖动系统中,则基本上采用的是直流电动机。由于早于交流电动机问世,且进入实用的直流电动机可分别对磁场电流和转矩电流分别进行控制,所以调速性能远远优于交流电动机。
        既然如此,为什么现要放弃直流电动机调速系统,改用调速困难的交流电动机呢?这是因为直流电机在具备有优良的调速特性之外,在电机的结构、制造、保养、运用方面存在着很大缺陷;甚至是无法预防和几乎无法找到技术措施,来应对直流电机才有的特别缺陷。具体说来4点:1、随着设备容量的增大,所需的驱动电源的电压、电流也在不断提高,而直流电机受换向器的片间电压限制,在制造上困难很大;2、直流电机车运行过程中存在的换向火花无法解决。3、由电刷和换向器接触引入电流的方式,结构复杂,运转中产生的碳粉又造成故障增加,清理、保养工作量大的缺陷;4、大功率的直流电机比同功率交流电动机的体积和重量更大、更重,在某些安装空间非常狭窄的装置上安装非常困难。
        通过对电机运行的长期实践中发现,直流电动机在实践中出现的这种不足,完全可以通过用交流电动机取代直流电动机,同时由于交流电弧的熄弧远比同电压等级的直流电弧熄弧的技术难度小很多,随着同时期内电力、电子技术的发展,相应须配备的交流开关器件也容易设计制造,并且在成本、体积、重量、运行、保养方面也明显优于直流系统;利用电力电子元器件组成的无触点系统,弥补了调速性能不如直流电动机驱动系统的不足。于是结构简单,坚固耐用,维护保养简单的三相交流异步鼠笼电动机就成为调速系统的原动机,而被大量使用于各种调速系统中。

二、变频调速控制系统的优势
        与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点,如节能,容易实现对现有电动机的调速控制,可以实现大范围内的高效连续调速控制,容易实现电动机的正反切换,可以进行高频度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电机进行高速驱动,可以适应各种工作环境,可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制,电源功率因数大,所需电源容量小,可以组成高性能的控制系统。
        异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的;因此在进行调速控制时,可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差较小的范围,电动机的调速较宽,并可以达到提高运行效率的目的。
        对电动机的正反转切换,电源进行换相切换,利用变频调控时,只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可达到对输出进行换相的目的,很容易就实现电动机的正反转切换,而不需要专门设置正反转切换装置。对在电源下运行的电动机进行正反切换时,如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换,电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流,有烧毁电动机的危险,所以通常必须等电动机完全停下来之后,才能够进行换相操作,而在采用变频调速系统中,由于可以通过改变变频器的输出频率,使电动机按照斜坡函数的规律进行减速,并使电动机减速至低速范围后,再进行相序切换。进行相序切换时电动机的电流可以很小,同样,在电动机的加速过程中可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速,从而达到限制加速电流的目的。
        由于电动机的起动电流较大,并存在与起动时间成正比的功率损耗,所以不能使电动机进行高频度起停运转。而对于变频调速系统来说,由于电动机起停都是在低速区进行,加减速过程都比较平缓,电动机的功耗和发热较小,可以进行较高频度的起停运转。
        变频驱动系统中的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的,当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时,负载的机械能将被转换为电能,并被回馈到变频器。而变频器则可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给供电系统中,并形成电气制动。此外,一些变频器还具有直流制动功能,即在需要制动时,可以通过变频器给电动机加上一个直流电压,并利用该电压产生的电流进行制动。
        当用电源对异步电动机进行驱动时,电动机的起动电流为额定电流的5-7倍;而在用变频器对异步电动机驱动时,由于可以将变频器的输出频率降至很低时起动,电动机的起动电流很小,因而变频器输入端的容量也可以比较小。一般来说,变频器输入端电源的容量只需为电动机输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用。
        随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展,变频器技术也得到了充分的重视和发展,由高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统,在性能上已经达到和超过了直流电动机的伺服系统。
        由于变频器具有上述优点,因此在各领域中得到了广泛的应用。

 

三、变频器的基本原理及控制方式
1、电力电子技术是以功率处理电能变换为主要对象的工业电子技术。一般包括电力半导体器件,功率变换器及其控制系统。
电能的变换形式可概括为以下四种:
① AC—→DC 把交流电能转换为直流电能,实现这种转换的装置统称为整流器;如用于充电、电解等。
② DC—→AC 把直流电能转换为交流电能,实现这种转换的装置统称为逆变器。如用于各种变频电源、电焊机电源、交流电动机的变频调速等。
③ AC—→AC 将交流电能的任一参数(幅值,频率和相位)加以转换,实现这种转换的装置统称为交流变换器。其中,对于交流电压幅值进行转换的电路称为交流调压器,对交流频率进行转换的电路则称为变频器。如用于调温、调光、交流电动机的变频调速等。
④ DC—→DC 将直流电能的任一参数(幅值和极性)加以转换,实现这一转换的装置称为直流变换器或称直流斩波器;如用于直流电压变换器,开关电源,直流电动机的牵引传动等。
2、将直流电变为频率电压可调的交流电的变换器称逆变器。如果把变成的交流电能送回交流电网的叫做有源逆变;如果把变成的交流电能供给负载用了叫做无源逆变;逆变器输入可以是蓄电池等直流供电电源,也可以由交流电网整流获得的电源。(如下图)

逆变器总起来就称为变频器。先把工频交流通过整流器变成直流,然后把直流变换成频率电压可控制的交流电供给负载(例如三相异步交流变频电动机),故这种变频器称为交—直—交变频器,又称间接变频器,相对于交——交变频器(直接变频器),它的优点是输出交流电的频率可高于输入交流电的频率。

交——直——变 的变频器的原理
        该原理是首先将工频交流通过三相全波整流桥器件二极管构成变流器,输出直流电通过中间储能元件电容或者蓄电池,再作为逆变器的输入能量,通过由控制电路输出的触发信号,按一定规律分别使构成逆变器的电力电子半导体元件有规律的通、断动作,使逆变器输出频率和电压均可变的交流电源来驱动交流电动机而完成这一模式所要求的预定动作。
        直流中间环节电路的作用是对整流电路的输出进行平滑,以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。
        逆变电路是变频器最主要部分之一,它的主要作用是在控制电路的控制下,将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源,逆变电路的输出就是变频器的输出,它被用来实现对异步电动机的调速控制。

三相逆变器的工作原理
        逆变电路的基本作用是将直流电源转换为交流电源,在逆变电路中一般由六个开关组成一个三相桥式电路,交替打开和关断这六个开关,就可以在输出端得到相位上各相差120°(电气角)的三相交流电源,如下图

        图中的S1-S6为6路脉冲驱动信号,U、V、W为三相交流电输出,V DC+和V DV-为蓄电池的正负极,一个IGBT模块对应一相输出,驱动信号控制着IGBT的开通与关断;三相交流电的每一相之间,彼此相对引前或滞后相差120°相位角,驱动信号通过在特定的时间,特定的IGBT内严格控制其开通时间来,在某一相上输出一个PWM波电压,使三相输出成120°的相位角差。
        这个交流电源的频率由开关频率决定,而幅值则等于直流电源的幅值,为了改变该交流电源的相序,从而达到改变异步电动机转向的目的,只要改变各个开关打开和关断的顺序即可。因为这些开关同时又起着改变电流换向的作用,所以它们又被称为换流开关或换流器件。
        当位于同一桥臂的两个开关同时处于开通状态时,将会出现短路现象,并烧毁换流器件,所以在实际的逆变电路中还设有各种相应的辅助电路,以保证逆变电路的正常工作,以及在发生意外时对换流器件进行保护。

变频器的控制电路
        变频器的控制电路主要包括:主控制电路,信号检测、分析,电路门极驱动电路,外部接口电路以及保护电路等,也是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的好坏,它主要是将检测电路得到的各种信号送至运算电路,使运算电路能够根据要求,为变频器的主电路提供必要的门极驱动信号,对变频器以及变频电动机提供必要的保护。

        控制方式:直接转矩控制(DTC控制)(闭环控制)
        直接转矩控制是一种高性能动态响应高的交流调速系统;这种模式甩掉繁杂的计算,反复多次坐标计算以求得对异步电动机多变量方程进行解耦的路子,直接以电机的转矩和定子磁链为目标量,以它们的反馈信号进行“碰——碰”控制,按要求决定电压空间矢量的作用、顺序及保持时间,对逆变器电力电子半导体器件的通断状态,维持时间控制电机的运行。
        它直接在二相静止的定子坐标下分析交流电机的数学模型定子磁链,这样就省去了磁链的旋转变化及多次计算。
        另一个重要的是磁场定向采用定子磁链,避免了转子磁场定向带来的难测量、无法测准,大大降低了误差带来的敏感性。定子参数易于测量,减少了参数不易测量而带来的误差影响,同时由于转矩和磁链都用两点式调节器,这种调节器能限制误差不超出容许误差,所以电机运行也不轻易过载。误差被限制在内切圆和同心外切圆的狭长范围内,所以误差的大小和受限方式都直观明了。定子磁通是定子电动势的时间积分,所以定子磁通是由电压决定的,对定子电压变化的动态变化,定子磁通矢量的响应比转子磁通矢量响应要快。

闭环控制
        在控制系统中,如果把系统的输出信号反馈到输入端,由输入信号和输出信号的偏差信号,对系统进行控制,则这种控制系统称为闭环控制系统,也称反馈控制系统。
        下图是一个闭环控制系统的方框图,闭环控制的实质,就是利用负反馈的作用来减小系统的偏差。因此闭环控制又称反馈控制。反馈控制系统具有较强的抗干扰能力,且精度高,适用面广,是基本的控制系统。

 


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