SIEMENS西門子變頻器工作原理
我們知道,交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位:
n = 60 f(1 - s)/p (1)
式中 n——— 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速;
f——— 異步電動機(jī)的頻率;
s——— 電動機(jī)轉(zhuǎn)差率;
p——— 電動機(jī)極對數(shù)。
由式 (1) 可知,轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比,只要改變頻率 f 即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,當(dāng)頻率 f 在 0 ~ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時,電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。西門子變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。
西門子變頻器控制方式
低壓通用變頻輸出電壓為 380 ~ 650V ,輸出功率為 0.75 ~ 400kW ,工作頻率為 0 ~ 400Hz ,它的主電路都采用交 — 直 — 交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。
2.1U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制( SPWM )控制方式
其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,機(jī)械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時,由于輸出電壓較低,轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著,使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外,其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬,動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意,且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高,低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降,穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。
2.2 電壓空間矢量( SVPWM )控制方式
它是以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的,一次生成三相調(diào)制波形,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn),即引入頻率補(bǔ)償,能消除速度控制的誤差;通過反饋估算磁鏈幅值,消除低速時定子電阻的影響;將輸出電壓、電流閉環(huán),以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多,且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。
2.3 矢量控制( VC )方式
矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流 Ia 、 Ib 、 Ic 、通過三相-二相變換,等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1Ib1 ,再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im1 、 It1 ( Im1 相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流; It1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流),然后模仿直流電動機(jī)的控制方法,求得直流電動機(jī)的控制量,經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī),分別對速度,磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量,經(jīng)坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測,系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。
轉(zhuǎn)矩提升:此功能增加西門子變頻器的輸出電壓,以使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比的關(guān)系增加,從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù),使用"矢量控制",可以使電機(jī)在低速,如(無速度傳感器時)1Hz(對4極電機(jī),其轉(zhuǎn)速大約為30r/min)時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩(最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%)。對于常規(guī)的V/F控制,電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對增加,這就導(dǎo)致由于勵磁不足,而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個不足,西門子變頻器中需要通過提高電壓,來補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引起的電壓降。西門子變頻器的這個功能叫做"轉(zhuǎn)矩提升"(*1)。轉(zhuǎn)矩提升功能是提高西門子變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓,電機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對應(yīng)的提高。 因?yàn)殡姍C(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量(如勵磁分量)。"矢量控制"把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配,從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量(如勵磁分量)的數(shù)值。"矢量控制"可以通過對電機(jī)端的電壓降的響應(yīng),進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償,在不增加電流的情況下,允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機(jī)低速時溫升也有效。