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SIEMENS 西門子變頻器技術(shù)參數(shù)
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西門子在“2014中國工業(yè)博覽會”現(xiàn)場發(fā)布了SinamicsV20變頻器全新E尺寸模塊。該模塊的功率可達(dá)30kW,適用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、輸送設(shè)備、攪拌機(jī)、石材切割等大功率應(yīng)用場合,并具有重過載和輕過載的雙重模式,可以實(shí)現(xiàn)小功率變頻器驅(qū)動大電機(jī),有效降低客戶的采購成本。
西門子V20變頻器介紹西門子V20變頻器是西門子于2012年推出的一款適合基本應(yīng)用的變頻器,由西門子中、德、英三國工程師共同設(shè)計(jì)研發(fā),并在西門子數(shù)控(南京)有限公司生產(chǎn)。憑借調(diào)試過程快捷、易于操作、穩(wěn)定可靠及經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢,面市兩年間,西門子V20變頻器已經(jīng)成為風(fēng)機(jī)水泵、物料輸送類及加工類設(shè)備等行業(yè)客戶對驅(qū)動產(chǎn)品的,可以為他們提供簡易、經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動解決方案。此前,西門子V20變頻器有4種外形尺寸可供選擇,功率為15kW。E尺寸模塊的推出使西門子V20變頻器適用的功率提升到30kW。該模塊繼承西門子20變頻器可靠性高、故障率低等特點(diǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更優(yōu)化,且發(fā)布前在多個(gè)進(jìn)行應(yīng)用測試,并得到了*認(rèn)可。西門子根據(jù)幾十個(gè)和地區(qū)客戶需求的調(diào)研結(jié)果,對所有SinamicsV20變頻器的軟件功能進(jìn)行了全面的升級。增加了故障數(shù)據(jù)記錄功能,使客戶在處理故障報(bào)警的時(shí)候追蹤到故障發(fā)生時(shí)刻的內(nèi)部信息,更加清楚故障發(fā)生的原因,能夠有的放矢地解決技術(shù)問題,減少故障處理時(shí)間。在新的軟件版本中,調(diào)試工程師無需做記錄,也可以方便地查看自己修改的參數(shù),調(diào)試變得更加簡單順手。這些改進(jìn)使SinamicsV20家族能更好地滿足客戶的需求。西門子V90變頻器介紹:
西門子V90伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為SINAMICS驅(qū)動系列家族的新成員,與SIMOTICS S-1FL6 *結(jié)合,組成的伺服驅(qū)動系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)位置控制、速度控制和扭矩控制。通過優(yōu)化的設(shè)計(jì),SINAMICS V90確保了的伺服控制性能,經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠。西門子V90 單軸伺服驅(qū)動器V90 設(shè)計(jì)用于運(yùn)動控制以滿足一般的伺服應(yīng)用,充分考慮了機(jī)床制造商和系統(tǒng)集成商所面臨的成本和市場挑戰(zhàn)。V90 支持即插即用式調(diào)試,伺服性能充分優(yōu)化,與 SIMATIC PLC 快速集成,具有值得信賴的可靠性。與全新的 SIMOTICS S-1FL6 伺服電機(jī)配套使用,形成的伺服系統(tǒng)。V90 支持內(nèi)部設(shè)定值位置控制、外部脈沖位置控制、速度控制和扭矩控制,整合了脈沖輸入、模擬量輸入/輸出、數(shù)字量輸入/輸出以及編碼器脈沖輸出接口。通過實(shí)時(shí)自動優(yōu)化和自動諧振抑制功能,可以自動優(yōu)化為一個(gè)兼顧高動態(tài)性能和平滑運(yùn)行的系統(tǒng)。此外,脈沖輸入支持 1 MHz,充分保證了高精度定位。西門子 V90特點(diǎn):1成本低:集成所有控制模式:外部脈沖位置、內(nèi)部設(shè)定值位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制;2、全功率驅(qū)動標(biāo)配內(nèi)置制動電阻;3、集成抱閘繼電器。2伺服性能優(yōu)異:自動優(yōu)化功能使設(shè)備獲得更高的動態(tài)性能;2、自動抑制機(jī)械諧振頻率;3、1 MHz 的高速脈沖輸入;4、20 位分辨率的值編碼器;5、優(yōu)化的系統(tǒng)性能:3 倍過載能力、電機(jī)低扭矩紋波以及驅(qū)動與電機(jī)的*整合;3使用方便:快速便捷的伺服優(yōu)化和機(jī)械優(yōu)化;2、簡單易用的 SINAMICS V-ASSISTANT 調(diào)試工具;3、兼容 PLC 和運(yùn)動控制器的雙通道脈沖設(shè)定值;4、通用 SD 卡參數(shù)復(fù)制;5、電機(jī)電纜連接器可旋轉(zhuǎn),支持多角度旋轉(zhuǎn),可快速鎖緊/釋放;4運(yùn)用廣泛:1、裝卸機(jī):如碼垛機(jī);2、包裝機(jī):如貼標(biāo)機(jī)、枕式包裝機(jī);3、自動組裝機(jī);4、刀具切換機(jī);5、印刷機(jī):如絲網(wǎng)印花機(jī);6、纏繞機(jī);7、金屬成型機(jī):如折彎機(jī)等。XMZ 西門子G120模塊化變頻器產(chǎn)品系列推出兩款新型功率模塊和一款新型控制單元。作為對整體系統(tǒng)加強(qiáng)的一部分,西門子全新推出的模塊包括新一代PM240-2 FSA和PM230 IP20功率模塊,這兩款模塊均在可實(shí)現(xiàn)更高功率密度的全新硬件平臺上研發(fā)。由于支持穿墻式安裝,這兩款新型功率模塊可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的冷卻解決方案。CU240E-2控制單元支持自動化以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的Profinet通信選型。這有利于實(shí)時(shí)執(zhí)行基于以太網(wǎng)的創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)。西門子G120模塊化變頻器系統(tǒng)的性能顯著增強(qiáng)。PM240-2 FSA功率模塊基于新型硬件平臺開發(fā),與以前的1.5kW LO的功率密度相比,該平臺可在外形尺寸FSA中實(shí)現(xiàn)高達(dá)3kW LO的功率密度。其穿墻式安裝適用于創(chuàng)新的冷卻概念,能夠適用于對控制柜散熱有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。西門子還在這個(gè)新一代功率模塊設(shè)計(jì)中配備了緊湊的集成濾波器。
西門子G120變頻器介紹:西門子在G120系列的平臺上深入研發(fā)出CU240E-2控制單元。除了現(xiàn)有的Profibus DP、RS485、USS和Modbus RTU通信接口之外,CU240E-2控制單元還將提供適用于Profinet通信版本的新型控制單元。Profinet是Profibus DP現(xiàn)場總線的增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn),在工業(yè)通信方面有更大的靈活性、效率和更高的性能。例如,現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳播。Profinet可實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用的快速數(shù)據(jù)交換。該控制單元也可以通過介質(zhì)冗余實(shí)現(xiàn)替代通信通道,提高工廠在通信線路故障過程中的利用率。該控制單元可與所有G120功率模塊配套使用,并標(biāo)配STO(安全轉(zhuǎn)矩截止)安全功能,F(xiàn)型則配備擴(kuò)展的安全功能 SS1(安全停車1)和SLS(安全限速)。集成的USB接口使調(diào)試變得輕松。西門子G120變頻器系列是適應(yīng)于整個(gè)工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的通用變頻器。它普遍適用于包括機(jī)械、汽車、紡織、印刷、包裝和化工行業(yè),以及材料處理等重要領(lǐng)域。針對其模塊化西門子G120變頻器系列,西門子驅(qū)動技術(shù)集團(tuán)又新推兩款新型功率模塊和一款新型控制單元。關(guān)于西門子在中國:西門子是電子電氣工程領(lǐng)域的企業(yè),主要業(yè)務(wù)集中在工業(yè)、能源、醫(yī)療、基礎(chǔ)設(shè)施與城市四大業(yè)務(wù)領(lǐng)域。140年來,西門子以其創(chuàng)新的技術(shù)、的解決方案和產(chǎn)品堅(jiān)持不懈地與中國開展全面合作,并以不斷的創(chuàng)新、出眾的品質(zhì)和令人信賴的可靠性得到廣泛認(rèn)可。在2011財(cái)年(2010年10月1日到2011年9月30日),西門子在中國的總營收達(dá)到63.9億歐元(不包括歐司朗和西門子IT解決方案和服務(wù)集團(tuán))。今天,西門子在中國擁有約30,000名員工,建立了16個(gè)研發(fā)中心、65家運(yùn)營企業(yè)和65個(gè)地區(qū)辦事處*,已經(jīng)發(fā)展成為中國經(jīng)濟(jì)不可分割的一部分,并竭誠與中國攜手合作,共同致力于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域:作為供應(yīng)商之一,為工業(yè)客戶提供創(chuàng)新環(huán)保的產(chǎn)品與解決方案。憑借完整的自動化技術(shù)與工業(yè)軟件、扎實(shí)的行業(yè)市場專業(yè)以及以技術(shù)為基礎(chǔ)的服務(wù),工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域幫助客戶提高生產(chǎn)力、效率和靈活性。西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域能夠提供的自動化技術(shù)、工業(yè)控制和驅(qū)動技術(shù)以及工業(yè)軟件,能夠滿足生產(chǎn)企業(yè)的所有需求,涵蓋整個(gè)價(jià)值鏈——從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā),到產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售和服務(wù)。同時(shí),還能針對客戶*的市場和需求,提供專門的綜合定制服務(wù),以使客戶獲益化。通過采用*的軟件和自動化技術(shù),能夠縮短產(chǎn)品投放市場時(shí)間高達(dá)50%,同時(shí)大幅降低生產(chǎn)企業(yè)的能源和污水處理成本。因此,憑借其節(jié)能產(chǎn)品和解決方案,西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域能夠大大提高客戶的市場競爭力,并為環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出重要貢獻(xiàn)。工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域由工業(yè)自動化集團(tuán)、驅(qū)動技術(shù)集團(tuán)、客戶服務(wù)以及冶金技術(shù)部構(gòu)成。西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動技術(shù)集團(tuán):西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域驅(qū)動技術(shù)集團(tuán)是電氣和機(jī)械裝設(shè)備整個(gè)驅(qū)動鏈的供應(yīng)商。為客戶提供創(chuàng)新、可靠、高效和高質(zhì)量的產(chǎn)品、系統(tǒng)、解決方案。 驅(qū)動技術(shù)集團(tuán)廣泛服務(wù)于制造和流程工業(yè)以及建筑和能源領(lǐng)域等行業(yè)市場。該集團(tuán)用其*的產(chǎn)品和解決方案幫助客戶提高生產(chǎn)率,能源利用率以及產(chǎn)品生產(chǎn)的可靠性。
一、引言
目前我國變頻器生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的變頻器大都是采用普通的V/f控制方式,只有為數(shù)不多的幾家對外宣稱采用了基于無速度的矢量控制技術(shù)。在國外品牌中基本上已經(jīng)做到了開環(huán)、閉環(huán)、無速度控制三位一體的控制思想,尤其值得關(guān)注的是ABB公司的DTC控制方法在產(chǎn)品中已經(jīng)有成功的應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)術(shù)界在變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究方面已經(jīng)做了很多相應(yīng)的工作,取得了一定的成果,但是相對于國外來說工程化的實(shí)踐和積累還有一定的差距。如何將理論化的知識轉(zhuǎn)化到我國現(xiàn)有工業(yè)化產(chǎn)品實(shí)踐,提高我國變頻調(diào)速產(chǎn)品的性能和質(zhì)量,是一個(gè)比較迫切的值得研究的問題。本文試圖從控制策略和調(diào)制技術(shù)兩個(gè)方面對目前的V/f控制和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行比較說明,供大家交流和探討。
通常V/f變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由控制、調(diào)制、主回路三個(gè)部分組成,其中控制部分和脈寬調(diào)制部分全部由軟件算法實(shí)現(xiàn)。這種控制方式是針對交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型得出的,不依賴電機(jī)參數(shù)及其變化,因而控制簡單,容易實(shí)現(xiàn)。但是調(diào)速范圍比較窄,僅適用于風(fēng)機(jī)、水泵等對調(diào)速性能要求不高的負(fù)載。為了提高系統(tǒng)低速時(shí)候的帶載能力和系統(tǒng)的動態(tài)性能,滿足實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的需要,必須對現(xiàn)有的控制方法和脈寬調(diào)制策略進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和提高。下面針對其中幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)分別進(jìn)行討論。
二、控制策略中的若干技術(shù)
1. 補(bǔ)償技術(shù)
補(bǔ)償技術(shù)在開環(huán)控制中是*的。它包括力矩補(bǔ)償、滑差補(bǔ)償和死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償。在低頻時(shí)定子電阻的壓降相對于變頻器輸出電壓來說已經(jīng)不能忽略,必須進(jìn)行補(bǔ)償,否則輸出電壓不夠,電機(jī)在低頻時(shí)不動或者轉(zhuǎn)速明顯下降。滑差補(bǔ)償主要是針對電機(jī)在負(fù)載較大時(shí)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速會低于設(shè)定的轉(zhuǎn)速而設(shè)計(jì)的。這兩種補(bǔ)償方法在實(shí)現(xiàn)中可以采用簡單的固定值進(jìn)行補(bǔ)償,改進(jìn)的方法有利用三相電機(jī)電流進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償,不過只是根據(jù)電流幅值的補(bǔ)償,實(shí)際上該方法是標(biāo)量補(bǔ)償;更為精確的補(bǔ)償方法是將三相電機(jī)交流電流進(jìn)行矢量分解,同時(shí)將電機(jī)的損耗參與計(jì)算,這樣的補(bǔ)償效果更好。但是這種方法計(jì)算比較復(fù)雜,同時(shí)對電機(jī)的部分參數(shù)有一定的依賴性,在實(shí)現(xiàn)過程中存在一些困難。
死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)在開環(huán)控制中占有很重要的作用,它能有效的提高輸出電流波形的平滑度和減小諧波,同時(shí)能夠提高輸出電壓的有效值和減小電機(jī)電流的振蕩。特別是在要求*的環(huán)境下,人為的提高載波頻率,如果沒有死區(qū)補(bǔ)償,在低頻時(shí)電機(jī)即使空載也可能不能運(yùn)行。目前比較常用的死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)有電流過零點(diǎn)直接補(bǔ)償法,基于定子磁場定向的電流分解方法,死區(qū)電壓脈沖寬度補(bǔ)償方法,無電流傳感的死區(qū)時(shí)間預(yù)測補(bǔ)償方法等。電流過零點(diǎn)判斷的補(bǔ)償方法簡單易于實(shí)現(xiàn),但是由于電流波形中噪聲成分大,同時(shí)負(fù)載的波動和外界的任何干擾都會引起過零點(diǎn)的判斷失誤,過零點(diǎn)有一個(gè)死區(qū)平臺影響低頻補(bǔ)償效果,特別是載波頻率比較高時(shí)尤為顯著。基于定子磁場定向的方法不直接判斷電流過零點(diǎn),而是將定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分解得到電流矢量角和死區(qū)電壓矢量之間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,如果該方法和死區(qū)電壓脈沖寬度補(bǔ)償相結(jié)合,效果更為突出。相位角預(yù)測的死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方法是一種省掉電流傳感器的固定補(bǔ)償方法,該方法首先對電流相位角進(jìn)行預(yù)測,然后對死區(qū)時(shí)間做出相應(yīng)的補(bǔ)償,預(yù)測的角度可以根據(jù)變頻器輸出容量的不同在軟件中設(shè)置,或者由外部修改設(shè)定。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以省掉電流傳感器,降低成本和系統(tǒng)體積,但是補(bǔ)償沒有根據(jù)外部負(fù)載變化而相應(yīng)調(diào)整,因而精度和動態(tài)性能也會相應(yīng)的降低。
2. 電流振蕩抑制技術(shù)
交流電機(jī)在PWM方式供電的條件下在電機(jī)輕載或者空載的時(shí)候由于某些原因電機(jī)會在一個(gè)比較寬的頻率段系統(tǒng)會出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象,這時(shí)電流幅值波動很大,輸出頻率也會有一定改變,電流的振蕩有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)檫^電流而誤觸發(fā)報(bào)警,使系統(tǒng)不能穩(wěn)定可靠的工作。引起振蕩的原因是多方面的,比較普遍的觀點(diǎn)是電機(jī)和變頻器在能量交換過程中引起的,它的出現(xiàn)也和死區(qū)效應(yīng)有很大的關(guān)系。對死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償后可以有效的減少振蕩的幅度,但是還不能從根本上抑制振蕩。一種有效的方法是當(dāng)振蕩發(fā)生時(shí),相應(yīng)改變實(shí)際輸出的頻率或者電壓,通過電流形成一個(gè)簡單的負(fù)反饋系統(tǒng),達(dá)到抑制振蕩的目的。但是這種方法也有一定的局限性。由于不同電機(jī)的振蕩頻率范圍是不一樣的,從5Hz~30Hz左右變化,而采用電流的幅值控制,只是一個(gè)標(biāo)量,這就使得控制的效果不佳,系統(tǒng)的魯棒性降低。如果將定子電流進(jìn)行分解,直接控制影響能量交換的磁通勵(lì)磁電流分量,抑制效果就會有較大的提高。更為精確有效的方法是采用智能控制的方法,但是算法復(fù)雜,在通用的V/f控制平臺上實(shí)現(xiàn)比較困難。
3. 簡單磁通矢量控制方法
普通的V/f控制是建立在穩(wěn)態(tài)電機(jī)模型上的,忽略了定子電阻壓降,因而對電機(jī)動態(tài)過程中的狀態(tài)不能控制,由于是開環(huán)控制,對負(fù)載的波動或者電機(jī)參數(shù)變化不敏感,動態(tài)性能不高。簡單磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基礎(chǔ)上對電機(jī)電流進(jìn)行了控制,具體表現(xiàn)在通過把變頻器輸出的電流進(jìn)行矢量分解計(jì)算得到力矩電流分量和勵(lì)磁電流分量,然后調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)電流和負(fù)載力矩相匹配,從而改善低速力矩特性。該方法在6Hz時(shí)可以提供額定力矩。矢量計(jì)算所用到的一些電機(jī)參數(shù)預(yù)先存放在控制器的RAM中,針對某一型號電機(jī)這些參數(shù)基本上是常數(shù)。
4. 基于無速度傳感的矢量控制技術(shù)
對于高性能的交流調(diào)速控制系統(tǒng),速度閉環(huán)是*的,轉(zhuǎn)速閉環(huán)需要實(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速,目前速度反饋量的檢測多是采用光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機(jī)。速度傳感器價(jià)格比較昂貴,明顯增加了系統(tǒng)的硬件成本;對環(huán)境的適應(yīng)能力不強(qiáng),不利于使用在高溫或者振動的場合;信號傳輸距離受到限制不能在長距離的線路中可靠的工作。因此研究無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng),對提高系統(tǒng)的可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性、進(jìn)一步擴(kuò)大交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有重要意義,已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界近年來的研究熱點(diǎn)。
無速度傳感器控制的終目標(biāo)是同時(shí)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈以及電機(jī)參數(shù)進(jìn)行精確的估計(jì)。對電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈的估算方法有好多種,基于理想模型的觀測和估計(jì)方法有:開環(huán)磁鏈估算和帶補(bǔ)償?shù)拇沛湽浪?模型參考自適應(yīng)法(MRAS);閉環(huán)觀測器法。基于非理想特性的方法有:利用齒諧波信號的轉(zhuǎn)速辨識方法;旋轉(zhuǎn)高頻注入轉(zhuǎn)子凸極檢測法;漏感脈動檢測法;dq阻抗差異定向法;飽和凸極檢測方法。對電機(jī)參數(shù)的檢測有離線式檢測和在線式檢測兩種方法。
無速度傳感矢量控制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)中有幾個(gè)特別值得關(guān)注的方面,它們對系統(tǒng)控制性能和控制精度有著十分重要的影響。這幾個(gè)方面是:
(1) 電流及電壓信號的檢測和信號處理技術(shù)
其中信號的處理技術(shù)主要是對檢測到的電流電壓信號如何進(jìn)行有效精確的濾波,既能重現(xiàn)有效信號同時(shí)不產(chǎn)生幅值衰減和相位滯后。比較實(shí)用的方法有簡化的擴(kuò)展卡爾曼濾波器,形態(tài)濾波器等。
(2) 定子電阻的在線調(diào)整問題
定子電阻阻值在電機(jī)運(yùn)行時(shí)隨著溫度升高有很大的變化,大變化可以達(dá)到額定值的150%,如何在運(yùn)行中在線檢測定子電阻,同時(shí)調(diào)整相應(yīng)的控制量,對系統(tǒng)性能的影響是很重要的。
(3) 死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù)
(4) 建立精確的動態(tài)電機(jī)模型問題
在線或者離線測得的電機(jī)參數(shù)只是在某一時(shí)刻得到的,如果參數(shù)在運(yùn)行中發(fā)生變化,電機(jī)的模型也應(yīng)該相應(yīng)的改變,以達(dá)到的控制效果。目前實(shí)用研究中使用的較多的是模型參考自適應(yīng)的方法。
(5) 逆變器模型的重構(gòu)問題
這個(gè)技術(shù)主要是針對在極限情況下0Hz運(yùn)行時(shí)提出的。這種情況下功率器件的飽和壓降和集電極電流的時(shí)間關(guān)系都要加以考慮。
三、PWM調(diào)制策略的若干技術(shù)
早期的PWM調(diào)制方法基本上是通過硬件電路模擬產(chǎn)生,主要以正弦波脈寬調(diào)制為主,后來發(fā)展到模擬和數(shù)字電路混和控制,當(dāng)前的調(diào)制技術(shù)基本上是通過軟件算法直接實(shí)現(xiàn)的。軟件實(shí)現(xiàn)有著非常明顯的優(yōu)勢:程序編寫靈活,修改方便,在相同的硬件條件下可以實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制策略,同時(shí)維護(hù)方便,抗擾性強(qiáng)。從初追求電壓波形的正弦,到電流波形的正弦,再到磁通的正弦;從效率,轉(zhuǎn)矩脈動少,再到消除噪音等,PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。PWM控制技術(shù)從控制思想上分,可分為四類,即等寬PWM法、正弦波PWM法(SPWM)、磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法。近幾年新近提出的不連續(xù)的SVPWM方法和隨機(jī)PWM方法在這里作為重點(diǎn)加以介紹。
1. SPWM法
SPWM法從電動機(jī)供電電源的角度出發(fā),著眼于如何產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源。具體方法是以一個(gè)正弦波作為基準(zhǔn)波(稱為調(diào)制波),用一列等幅的三角波(稱為載波)與基準(zhǔn)正弦波相交,由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開關(guān)模式。為了提高逆變器的輸出電壓幅值,針對SPWM法,人們提出了準(zhǔn)優(yōu)化 PWM法,即三次諧波疊加法。在正弦波中注入一定比例的三次諧波后,調(diào)制波的幅值大大降低,在調(diào)制波沒有過調(diào)制的情況下,可使基波幅值超過三角波幅值,實(shí)現(xiàn)調(diào)制系數(shù)大于1的調(diào)制。在這種調(diào)制方式下,大調(diào)制比可提高到1.15左右,相應(yīng)直流母線電壓的利用率大可提高15%。
2. SVPWM法
磁鏈追蹤型PWM法又稱為電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM),與SPWM法不同,它是從電動機(jī)的角度出發(fā)的,著眼點(diǎn)在于如何使電動機(jī)獲得圓磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動機(jī)的理想磁鏈因?yàn)榛鶞?zhǔn),用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓,由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模式,形成PWM波。逆變器的開關(guān)模式有8個(gè)空間電壓矢量,其中V0、V7為零電壓矢量。SVPWM不僅使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動降低,電流波形畸變減小,而且與 SPWM技術(shù)相比直流母線電壓利用率有很大提高,在這種調(diào)制模式下直流母線電壓的利用率大可提高15%,并易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。
3. 不連續(xù)的SVPWM策略(DHPWM)
不連續(xù)的SVPWM方法是近幾年提出的一種新穎的電壓空間矢量脈寬調(diào)制策略,國外文獻(xiàn)稱為不連續(xù)的SVPWM策略(DHPWM),國內(nèi)有些文章稱為混和型調(diào)制策略(HPWM)或低開關(guān)損耗模式調(diào)制。對于連續(xù)PWM調(diào)制方法,三相調(diào)制波都位于其對應(yīng)載波的峰值之間,因此,所有的連續(xù)PWM調(diào)制方法,其逆變器的開關(guān)損耗都是相同的,且與負(fù)載電流的相角無關(guān)。降低開關(guān)損耗較簡單的方法就是使開關(guān)器件不動作,或者在一個(gè)周期中盡量少動作。傳統(tǒng)的SVPWM方法中零矢量(V0和V7)的位置在脈寬生成中是對稱存在的,零矢量的導(dǎo)通時(shí)間相等,而且位置是固定的,不能改變。如果保持有效導(dǎo)通矢量的時(shí)間不變,這樣合成的空間電壓矢量有效值不會受到影響,同時(shí)改變零矢量V0和V7在脈寬分配中的位置,使開關(guān)動作的次數(shù)減少,這就是不連續(xù)的SVPWM方法。
零矢量的分配和位置不同就會有不同的調(diào)制效果。如果在三個(gè)相鄰矢量所夾扇區(qū)固定選用一個(gè)適當(dāng)?shù)牧闶噶浚墒姑恳唤M在一個(gè)周期內(nèi)有120°的扇區(qū)內(nèi)不開關(guān)。每相不開關(guān)范圍是連續(xù)的120°的區(qū)域,因而導(dǎo)致上下橋臂的開關(guān)損耗不*,波形畸變比SVPWM要大很多。如果在相鄰的60°區(qū)間選用不同的零矢量,這樣有三種零矢量的分配方案。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量使每相開關(guān)器件在負(fù)載電流較小的區(qū)間內(nèi)開關(guān),安排大的負(fù)載電流在不開關(guān)的扇區(qū)內(nèi),這樣不僅可以減少開關(guān)次數(shù),同時(shí)還可以有效降低開關(guān)器件的大開關(guān)電流,從而使開關(guān)損耗小。該方法可以將開關(guān)次數(shù)減少到原來SVPWM的1/3,*的降低了開關(guān)損耗,同時(shí)由于插入零矢量的位置改變了逆變器的續(xù)流過程,對抑制電流波形的振蕩和失真也有一定的效果。在工程中對該方法調(diào)制時(shí)的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)現(xiàn)存在一定的困難,一種行之有效的方法是在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)對有效導(dǎo)通主矢量的補(bǔ)償。
4. 隨機(jī)脈寬調(diào)制技術(shù)(RPWM)
在變頻器供電的交流傳動系統(tǒng)中,噪聲問題*以來一直受到人們的關(guān)注,在某些低噪聲的場所變頻器和電機(jī)所發(fā)出的噪聲令人難以忍受。變頻器噪聲主要由逆變器所采用的脈寬調(diào)制方法所致。在一般的PWM方法中,逆變器的功率開關(guān)是以“確定的”方式通斷的,這種控制方式雖然可以很好地抑制電壓波形中的低次諧波,但卻將產(chǎn)生某些幅值很大的高次諧波,這些諧波主要集中在一倍和兩倍的載波頻率附近,它們將產(chǎn)生明顯的噪聲和振動。近年來出現(xiàn)的隨機(jī)脈寬調(diào)制(RPWM) 為解決逆變器的噪聲問題提供了一種全新的思路。隨機(jī)PWM的基本思想是用一種隨機(jī)的開關(guān)策略代替常規(guī)PWM中固定的開關(guān)模式,以使逆變器輸出電壓的諧波頻譜均勻地分布在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi),達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械振動的目的。