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　一、前言

　　高壓變頻器行業(yè)在我國(guó)經(jīng)歷了認(rèn)知階段、組裝階段和研發(fā)制造階段;上世紀(jì)90年代以來(lái)我國(guó)國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入高壓變頻器行業(yè)。本土企業(yè)的興起推動(dòng)高壓變頻器市場(chǎng)價(jià)格下降，隨著應(yīng)用的普及其用戶群不斷擴(kuò)大，逐步形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。在過(guò)去的幾年里，國(guó)內(nèi)高壓變頻器行業(yè)迅速發(fā)展，部分企業(yè)開(kāi)始研制矢量控制和四象限(PWM能量反饋)等高性能變頻器，爭(zhēng)取在高端市場(chǎng)應(yīng)用方面取得突破，打破目前傳統(tǒng)兩象限產(chǎn)品局限于中低端市場(chǎng)的現(xiàn)狀，逐步具備全面替代外資品牌產(chǎn)品的技術(shù)實(shí)力。

　　目前國(guó)內(nèi)的煤礦提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要有直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)采用磁場(chǎng)換向的晶閘管直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，交流調(diào)速系統(tǒng)分為同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，異步電機(jī)主要用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。上述調(diào)速方式落后，運(yùn)行成本大，且運(yùn)行效果不理想。采用具有能量回饋特性的矢量控制型四象限高壓變頻器直接驅(qū)動(dòng)籠式異步電機(jī)系統(tǒng)，具有類似直流電機(jī)的優(yōu)良機(jī)械特性，具有接近于1的功率因數(shù)和大于98%的能量轉(zhuǎn)換效率，節(jié)電效果非常顯著。

　　億思特電氣自主研發(fā)的“IDrive矢量控制四象限高壓變頻器”，將主要應(yīng)用于需要能量回饋的頻繁加減速或正反轉(zhuǎn)等工況場(chǎng)合，如礦井提升機(jī)、軋機(jī)等。

　　二、IDrive矢量控制四象限變頻器簡(jiǎn)介

　　2.1系統(tǒng)主電路拓?fù)?/p>

　　采用單元級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，其軟件算法主要包含網(wǎng)側(cè)有源逆變及電機(jī)側(cè)矢量控制算法。單元級(jí)聯(lián)式多電平高壓變頻器，電壓范圍可達(dá)10kV，甚至更高;具有極低的輸出諧波，極低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電機(jī)噪聲，功率因數(shù)可達(dá)0.98，每個(gè)單元設(shè)計(jì)是完全一致，便于替換，因此易于實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示;

　　2.2單元主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　由于二極管不控整流器能量傳輸?shù)牟豢赡妫a(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過(guò)高的泵升電壓有可能損壞開(kāi)關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了普通高壓變頻器的應(yīng)用范圍;基于能量反饋的系統(tǒng)方案解決上述問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了真正的節(jié)能目標(biāo)而不是浪費(fèi)掉能量。

　　能量回饋型功率單元，控制信號(hào)由一個(gè)單獨(dú)的控制模塊實(shí)現(xiàn)，這個(gè)控制模塊里面包括采樣變壓器二次側(cè)繞組的電壓信號(hào)，以及直流母線電壓和電感電流信號(hào)，通過(guò)直接電流控制實(shí)現(xiàn)單元模塊的四象限功能和功率因數(shù)控制，即此部分的最終結(jié)果是保證輸出直流母線電壓的良好動(dòng)靜態(tài)性能。而逆變側(cè)的控制部分和以前的通用高壓變頻器一致，通過(guò)主控芯片實(shí)現(xiàn)逆變側(cè)的多電平控制。

　　輸入為隔離變壓器副邊降壓繞組的三相，IGBT的控制信號(hào)為經(jīng)光纖傳輸過(guò)來(lái)的PWM信號(hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出經(jīng)單元串聯(lián)后到電機(jī)。單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下所示;

　　2.3高壓變頻器電機(jī)矢量控制實(shí)現(xiàn)

　　2.3.1 變頻器電機(jī)控制算法簡(jiǎn)介

　　高壓變頻器的主控算法采用載波移相算法控制實(shí)現(xiàn)電壓疊加，但其核心VF或VC等算法思路基本沿用了低壓變頻器，在低壓變頻器領(lǐng)域，其軟件算法經(jīng)歷了四代：

　　第一代 以U/f = C，正弦脈寬調(diào)制(SPWM) ：

　　高壓變頻應(yīng)用工作原理：?jiǎn)卧?jí)聯(lián)模式高壓變頻器采用載波移相算法，一般采用預(yù)期正弦波作為調(diào)制波，標(biāo)準(zhǔn)三角波作為載波，異步/同步調(diào)制方式進(jìn)行比較移相后輸出一系列標(biāo)準(zhǔn)正弦脈寬方波，由等面積法，可得到預(yù)期的疊加正弦波;其控制原理/控制電路簡(jiǎn)單，在這種控制方式下異步電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出來(lái)的機(jī)械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在各個(gè)領(lǐng)域如電廠、水泥廠等很多工況的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載廣泛應(yīng)用。但這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。且其控制原理是基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程而來(lái)，所以動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩及靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，不適宜用于高性能的調(diào)速場(chǎng)合。

　　第二代 以電壓空間矢量(磁通軌跡法)，又稱SVPWM控制方式。

　　第三代 以矢量控制(磁場(chǎng)定向法)又稱VC控制：

　　矢量控制思想是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)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(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)的勵(lì)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(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，輸出實(shí)時(shí)的三相正弦電壓值，通過(guò)載波移相控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。

　　第四代 直接轉(zhuǎn)矩控制，又稱DTC控制

　　1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control簡(jiǎn)稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。

　　2.3.2、矢量控制算法

　　其矢量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖為：

　　在基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)中，首先把電機(jī)三相電流等同于兩相靜止的α-β軸坐標(biāo)系，然后再轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的D-Q軸坐標(biāo)系，此時(shí)：

　　注：

　　并使D軸與轉(zhuǎn)子磁通方向重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通的Q軸分量為零，可以得到：

　　把此式帶入上式，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可以得到：

　　矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施仍然是對(duì)定子電流的控制。借助于坐標(biāo)變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上觀察，電動(dòng)機(jī)的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)上述轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各分量之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)地計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流給定量。按這些給定量實(shí)時(shí)控制，就能達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)的逆變換過(guò)程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變換成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。在矢量變換的控制方法中，需用到靜止和旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，以及矢量在各坐標(biāo)系之間的變換，交流電機(jī)的矢量控制，需要把電機(jī)的ABC三相定子靜止坐標(biāo)系的電流Ia、Ib、Ic、變換成α和β兩相靜止坐標(biāo)系(Clarke變換)，也叫三相-二相變換，再?gòu)膬上囔o止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系(Park變換)，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iq、Id(Id相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流);Iq相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)逆變換(Park逆變換)(Clarke逆變換)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交解耦控制，實(shí)現(xiàn)低頻大轉(zhuǎn)矩能力。

　　IDrive矢量控制四象限變頻器，可廣泛應(yīng)用于提升類負(fù)載、對(duì)轉(zhuǎn)速控制精度及速度要求苛刻、要求低頻大轉(zhuǎn)矩等復(fù)雜工況，幫助用戶進(jìn)一步提高工藝自動(dòng)化水平，節(jié)能減排，增加更多的經(jīng)濟(jì)收益。