20世紀八十年代,工業領域的通用變頻器僅限“V/F控制”,但從九十年代開始,以提高“V/F控制”的低速轉矩為目的,導入了“無(速度)傳感器控制”的方式。隨著包括此后的半導體在內的硬件技術和控制理論技術的進步,控制性能得以飛速提高。
“帶PLG矢量控制”可應對需要更高精度的速度控制領域,從20世紀九十年代開始應用于感應電機。如下表所示,說明以相關速度控制為核心的變頻器的代表性控制方式。大體上說,下表從左到右,其性能、精度是越來越高的控制方式。通用性、經濟性則與此方向相反。有關無傳感器矢量控制,不同的廠家有不同的控制方式和名稱,這里舉例說明是三菱電機的變頻器控制方式。
控制方式 |
V/F控制 |
無傳感器矢量控制 |
帶PLG矢量控制 |
磁通矢量控制 |
實時無傳感器矢量控制 |
速度控制范圍 |
1:10(6~60Hz:動力運行) |
1:120(0.5~60Hz:動力運行) |
1:200(0.3~60Hz:動力運行) |
1:1500(1~1500r/min:動力運行和再生) |
響應 |
6~60 (rad/s) |
20~30 (rad/s) |
120 (rad/s) |
300 (rad/s) |
速度控制 |
○ |
○ |
○ |
○ |
轉矩控制 |
× |
× |
○ |
○ |
位置控制 |
× |
× |
× |
○ |
概要 |
是采用變頻器通用控制方式:控制電壓、頻率的比率恒定。 |
是為改善V/F控制時的低速轉矩降低,通過計算電機電流矢量,補償輸出電壓的控制。 |
通過無PLG的標準電機,根據電機參數和電壓、電流特性計算、推斷電機速度來控制。 |
是將電機電流分解為勵磁電流分量和轉矩成分電流分量,獨立控制各電流的方式。可高精度、高響應地進行轉矩和位置控制。 |
通用性 |
應用在標準電機上,從調整要素少這一點來看,通用性較好。 |
需有電機參數,但調整要素較少,結構比較簡單。 |
需有電機參數且需調整控制增益。 |
需有帶PLG電機參數且需調整控制增益。 |
(1)V/F控制
最基本的變頻器控制方式就是改變頻率來控制電機。僅靠改變頻率會因電流增大而使電機發熱、燒壞,因此保持V(輸出電壓)和F(頻率)的比率恒定的方式就是V/F控制。該V/F控制在工業領域的應用示例很多,今后也將會應用于更廣泛的領域。
<特征>
(1)控制方式簡單,從調整要素較少且不必選擇電機這一點來看,優于通用性。
(2)適用低速電壓調整(升壓調整),通常用于1:10左右的速度控制。
<補充>
該控制方式,在低速時由于連線及電機繞組的電壓降引起的有效電壓衰減,使電機轉矩不足。這種現象低速時非常明顯。這里通過補償(轉矩提升)電壓降低的部分來補償低速時的轉矩不足。
(2)矢量控制
是對感應電機的勵磁電流和轉矩電流各自獨立地控制,從而控制電機瞬時轉矩的方式。為計算實際的電機速度,需采用帶PLG電機。
※勵磁電流:是產生磁通必需的電流,轉矩電流分量:對應電機產生轉矩的電流。
<特征>
(1)可進行感應電機的瞬時轉矩控制,實現高響應、高性能的控制。
(2)以高精度計算時,須求出正確的電機電氣參數,不像V/F控制那樣,沒有對應電機的通用性。另外,還需安裝高精度的速度檢測器(PLG)。
<補充>
利用PLG(編碼器)檢測實際電機速度,通過計算電機的“轉差頻率”來推斷負載的大小。根據該負載的大小,按照磁通電流分量和產生轉矩電流分量分解變頻器輸出電流,然后分別加以計算、控制,以獲得高響應性和穩定的低速轉矩。 除可進行速度控制和轉矩控制外,還可進行位置控制。
(3) 節能運行
變頻器的使用領域除了前面所述的電機控制領域(速度等)外,對節能領域也很重要。節能領域一般無需太大的低速轉矩,因此與產生轉矩相比更看重電機效率。
(1)節能變頻器控制方式
在“變轉矩負載(風扇、泵等)”、“低轉矩負載(輸送機等)”時,降低轉速可實現節能。尤其在“變轉矩負載”時,所需電能大幅減少,節能效果更為顯著。針對這些用途,我們研發出了專用節能控制模式的變頻器。下面以三菱電機產品為例進行說明。
節能控制的方式 |
說明 |
最佳勵磁控制 |
將變頻器輸出電流分為勵磁分量電流和轉矩分量電流進行控制,以使電機自身損失最小。 |
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降低轉矩V/F模式 |
為驅動變轉矩負載時的控制模式。與恒定轉矩模式相比,可將節能效果提高3~5%。 |
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(2)IPM電機
堅固、價廉的通用感應電機,被廣泛地應用于工業領域,但如從節能角度來考慮感應電機,則會發現由于勵磁電流和轉子側二次銅損導致了能量的損失。由于IPM(內置永磁體)電機改正了這個缺點,因此與感應電機相比更加高效。
通過IPM電機和專用變頻器的組合,在風扇、泵以及鼓風機等變轉矩負載時,實現了超過變頻器驅動高效感應電機的節能效果。
<節能特征>
·采用永久磁鐵產生磁通,無需勵磁電流。
·轉矩分量電流未流經轉子,無二次銅損。
·電機發熱小,可實現小型化。
·內置永磁體型,利用了磁阻轉矩※,可進一步提高效率。
※磁阻轉矩:旋轉角度位置上磁阻不同而產生的轉矩。