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变频器发展和应用的几个趋势发布时间:2014-05-14

变频器发展和应用的几个趋势

言—— 

 随着变频控制理论和制造工艺的进一步发展,变频器的应用和发展将会朝着以下方向发展:

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  (1)矩阵变频器的出现和推广;

  (2)网络化配置的变频器将成为主流;

  (3)同步电动机的变频应用将得到更为迅猛的发展。

 

  1、 矩阵变频器的出现

  多年来,电气传动专家一直都在讨论关于“矩阵变换”技术的变频器将会是下一代变频器。几个主要的传动供应商包括罗克韦尔、西门子等都在研究该项技术。舆论一直认为:尽管矩阵变频器具有非常诱人的前景,但是由于成本太高而无法在目前进行商业化应用。

  大家都知道,由于矩阵式交-交变频器省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大,并能实现轻量化。

  现在,安川公司已经有迹象显示该公司打算启动销售矩阵变频器的计划。在今年四月份的汉诺威国际展览会上,安川展示了即将生产的矩阵变频器的原型),并表示公司计划在明年启动销售策略,同时已经在日本市场上现场测试和运行了好几台矩阵变频器。

  从原理上讲,矩阵变频器使用了一组电力半导体开关,按照预定的数学算法控制开关顺序,并直接连接到三相电机上。在安川矩阵变频器中有9个开关,每一个都有2个IGBT组成双向开关,能允许正向电压和负向电压通到电机上。IGBT数量的增加是导致矩阵变频器造价昂贵的其中一个因素。

  矩阵变频器使用了三相电压输入来控制输出电压,这就不仅能吸收任何电流杂波,也能提供一个清洁的输出电压,也就是说“可以有效地进行输入电源电流控制与输出电压控制”。这也是矩阵变频器吸引人们的一个重要点:能大大降低输入电流谐波的产生,只有大约传统交-直-交变频器的20%以下。而且矩阵变频器的电流几乎是正弦波,即使在带载情况下,也是如此。当有再生发电时,电流能以180°转换并反馈到电网中,而且也是以正弦波方式。在再生制动方式的工作中,矩阵变频器不需要制动电阻或特殊的变换器。反馈回的电亦无需额外的设备(如变压器等)进行处理。总之,传动能在四象限高效率地运行。

  另外一个吸引点就是矩阵变频器去掉了直流电容,作为有一定寿命地铝电解电容,交-直-交变频器就必须在一定年限更换电容,如5~8年,矩阵变频器就能长时间可靠工作。

  安川公司起初的计划是将新的矩阵变频器主要用到能够发挥其长处和优点的场合中,如它的处理再生能量功能,在起重、电梯、离心机和其他需要连续电动又连续制动发电的场合。当然,它也可以装在那些需要制动,但又没有空间安装制动电阻或者安装电阻会引起意外事故的地方,如酒精厂、化工厂等。另外一个非常有潜力的地方,就是需要有低谐波的应用场合。如在轮船上,就能允许安装更小的发电机组。在一些隔离系统中能降低设备的体积,而省去了类似12脉冲变频器系统中的额外变压器。

  在安川的计划中,矩阵变频器将逐步覆盖400V的5.5~22kW,直至75kW,当然也有200V级的5.5~45kW变频器。至于价格策略目前尚未公布,但基本上为目前通功率段传统变频器的2倍左右。

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    2、 以网络配置为主的系统化

  变频器的网络化配置主要基于三个层面:设备层、控制层和信息层。其中变频器做为执行器,可以配接最基本的RS232/RS485串行通讯协议、Profibus等的现场总线协议以及Internet局域网协议。针对不同的控制系统和不同的用户要求,配置和选用不同的网络协议。

  网络化配置的变频器具有以下显著的特点:

  (1)高精度的频率设定;

  (2)远程控制与工厂信息化的基本要素;

  (3)远程诊断系统。

  通过网络设定频率是一种高精度的频率设定,其具有通讯速率高,稳定可靠,接线简单等优点,而且在模拟量控制时,输出端经过一个数模转换器,经过导线,进入输入端(变频器)又经过一个模数转换器才能参与控制。两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差,而通讯传递直接是数字量,不需要转换,没有误差,在传输过程中不会造成损耗,而且响应速度率也会很高。

  变频器经常被用于系统复杂、工作环境恶劣、高负荷、长时间运行的工况中,如无人值守泵站、油田磕头机等。变频器故障率在这种环境中自然比较高,一般都采取事后维修的方式进行,随着电子技术的发展,传统的维修方式将变为故障预报和整机在线维修。有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究,以便对其故障的事先诊断分析。目前大功率变频器的故障诊断、远程监控系统及智能控制方面取得了较大进展,并已经投入实际运行。
在网络化日益普及的今天,与普通的点对点硬线连接方式而言,通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。目前安装的现场总线模块有ProfibusDP、Interbus、DeviceNet、CANOpen和ModbusPlus等。用户可以有更大的自由根据生产过程来选择PLC型号和品牌,并非常简单地集成到现有地网络中去。而且通过现场总线模块,可以不考虑变频器的型号,而以同一种语言来与不同功率段、不同型号地变频器进行组构,如功率、速度、转矩、电流、设定值等。

  由于采用了通讯方式,可以通过PC机来方便地进行组态和系统维护,包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。

  以SEWMOVIDRIVE变频器为例,它可以如图2组成WAGO-I/O系统,利用后者地现场总线技术进行通讯互联。这种连接方式能通过WAGO的可编程总线控制器PFC实现变频器到网络控制主机之间的输入数据过程、输出数据过程的交换。而且,总线互联方式可以通过WAGO公司专用的软件功能块(SEW.LIB)方便地进行变频器参数的读取。该方式能在最大程度上降低变频器系统的构建成本。

 

     3、同步电机的配合应用

  交流同步电动机已成为交流可调速传动中的一颗新星,特别是永磁同步电动机,电机是无刷结构,功率因数高、效率也高,转子转速严格与电源频率保持同步。同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类,自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似,用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器,如采用交-直-交变压变频器时叫做“直流无换向器电机”或称“无刷直流电动机”。传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器,现正开发无转子位置传感器的系统,且已经取得重大进步和在市场的成功应用。同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制,其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单。

  现在以ABB应用在造纸同步电机上的变频应用为例来说明。

  ABB公司有着100多年从事纸机传动系统设计和供应的历史,从最初的长轴传动,到上世纪六十年代的直流分部传动,然后再到1983年的世界第一个纸机工业的交流的分部传动,最后在1999年在芬兰一家纸厂应用了一个新的纸机传动系统,即采用同步电动机的直接变频传动。其后,ABB非常顺利而且成功地在纸机工业规模化应用了同步变频系统。

  传统的传动系统(包括直流或异步交流电机)都是通过减速箱与电机相连,最后与纸机传动部分连接;而在同步变频传动中,电机则直接耦合到纸机传动部分的,取消了中间环节。

  在ABB系统中,传动系统通常是ACS600变频器组成的,其硬件组成是与传统的交流异步传动一致的,而软件的设计则是专用的永磁电机(同步电机的一种)驱动软件。同步电机允许在纸机上采用无编码器的运行方式。传动部分的控制系统、应用软件以及人机界面的控制这几部分都是跟ABB在纸机上的解决方案一致。因此,直接传动能与其他的ABB传动方案同时并列运行,而且ACS600变频器无须更换就可以升级到新的直接传动系统上。

  采用同步电机的最有效特点:

  (1)大大降低电机尺寸;

  (2)高效率的转矩输出;

  (3)无编码器运行。

  目前大多数的纸机需要安装速度编码器来反馈电机转速,而且编码器也被证明是可靠的。但是安装的编码器由于是采用轴承需要常规定期性的维护保养和润滑,在一个大型的纸机(如50个传动)上每隔一定的周期还必须更换所有的编码器以防止意外的由编码器故障引起的纸机停机。从这个层面上来说,无编码器的运行自然是同步电机直接传动的一个优点和着眼点。  

  电机的实际速度是需要同时反馈和监测的,一个计算电机速度的新方法已经在ACSDTC得到发展和应用。为ABB造纸部门对直接传动的37kW永磁电机进行测试得出的波形曲线。上面的2条曲线是表示经速度编码器测量的数据和通过变频器计算出来的数据。从图中可以看出两条曲线几乎是一致的,即使在动态扰动中也是少有偏差。第3条曲线是表示电机由于突加负载产生的电机转矩,该负载的变化大概是正常负载的1/3,以表示在电机在正常运行下突然有一个大的变化。将ABB传统的交流传动纸机改造成一个直接传动的纸机系统是非常简单的,纸厂需要购买新的直接传动部分的电机,同时将ABB的常规变频器ACS600通过下载PM-DTC软件来升级,而且新的直接传动的系统可以与现有的交流或直流传动同时正常运行。总而言之,用户将从直接传动中获益。

  当然,在其他行业如纺织、电梯等行业同步电机的变频系统也取得了卓有成效的推广。

  我们知道,同步变频系统在硬件上并无太大区别,甚至可以直接使用,而软件上就必须采用新的控制思路。矢量控制是一种控制永磁同步电机的实用而有效的方法。其基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律,在磁场定向坐标上,将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量,并使两分量互相垂直,彼此独立。当给定Id_Ref=0,这时根据电机的转矩公式可以得到T∝φiq。由于Id_Ref=0,那么φ就基本恒定,这样只要调节电流iq就可以象控制直流电动机一样控制永磁同步电动机。

 

   4、 结束语

  随着技术的进一步发展,变频器的发展和应用也将呈现更为活跃的现象,比如矩阵变频器的出现和推广、网络化配置的变频器将成为主流以及同步电动机的变频应用等。而这些趋势都将推进变频器的进一步普及。

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