HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速
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  2006年7月,在经历了长时间厂内试运行后,利德华福第一台HARSVERT-VA系列产品DSP无速度传感器矢量控制高压变频器在河南某电厂顺利投入生产运行,这标志着利德华福的产品技术迈上了一个新的台阶,将国内同类产品的调速性能提高到与国外先进技术同步的水平。

  HARSVERT-VA系列高压变频调速产品,采用高速数字信号处理器(DSP)芯片作为主控制芯片,结合先进的异步电机无速度传感器矢量控制技术,以启动转矩大,动态响应快为主要特征,将大大拓宽高压变频器的应用领域,为用户提供更高性能的交流传动。

  HARSVERT-VA系列无速度传感器矢量控制高压变频调速系统产品具有以下主要功能:
(1)V/f比恒定控制;
(2)无速度传感器矢量控制;
(3)速度闭环矢量控制;
(4)高压掉电恢复自动重启;
(5)任意转速下旋转启动;
(6)单模块故障旁路功能;
(7)异步电机参数自动检测;
(8)各种故障分类处理,尽可能保证设备连续运行;
然而,何谓DSP,何谓矢量控制,应用矢量控制会有哪些优点,矢量控制的基本原理是什么,如何使用HARSVERT-VA系列产品?从本期开始,将逐步分篇介绍DSP、矢量控制相关知识,以及HARSVERT-VA系列高压变频调速产品的应用知识。

第一篇 DSP与矢量控制技术的发展背景

  HARSVERT-VA系列高性能高压变频调速产品,在以DSP为核心搭建的高性能控制器硬件平台上,结合先进的实用化的矢量控制技术,将异步电机的控制性能提高到一个新的高度。
其中,DSP是英文Digital Signal Processor的词头字母缩写,其含义为数字信号处理器,是一种对数字信号进行分析处理的专用芯片。矢量控制,在国外多称为磁场定向控制(Field Orientation Control),其核心思想是以电机磁场为坐标轴基准方向,通过坐标变换的方法,实现对电机转矩和磁通的解耦控制。
  矢量控制与以DSP为代表的高性能处理器的结合是必然趋势。
  在上个世纪绝大部分时间里,直流电机由于其转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想,在高性能变速电气传动领域中占统治地位。但是,直流电机结构中存在着换向器、电刷等结构,因而不能在大容量、高转速、高可靠性、易于维护及节能等方面满足更高的要求。
而异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、制造成本低、易于维护、可工作于恶劣环境等优点,在工业领域得到了广泛的应用。但是,由于异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量复杂系统,早期的研究不能很好解决它的控制和调速问题。
  早期的交流电机控制多是建立在电机稳态模型的基础上,其系统控制规律是从电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的平均值控制,完全不考虑过渡过程,因而在系统设计时,不得不做出较强的假设,忽略较多因素,这就使得设计结果与实际相差较大,系统在稳定性、启动及动态响应等方面的性能不能令人满意。
  其中比较有代表性的是V/f比恒定的变频调压技术。由于缺乏对转矩的有效控制,系统带载能力差,动态响应慢。尤其在低速时由于定子电阻压降和逆变器互锁效应影响加剧,使得控制性能更差,并可能产生振荡和不稳定现象。但由于该方法实现简单,因而被广泛地应用于风机、水泵等调速性能要求不高的场合。目前,国内高压变频器生产厂商仍普遍采用这一方案。
  交流电机控制真正划时代的进步是在20世纪70年代初。1971年,美国P. C. Custman和A. A. Clark申请了专利感应电机定子电压的坐标变换控制,同年,德国西门子公司的F. Blaschke等提出了感应电机磁场定向的控制原理,奠定了矢量控制的理论基础。这种原理的基本出发点是:考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统,很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩,但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标轴系到旋转坐标轴系之间的变换,则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量分解成两个垂直的直流变量,并分别进行控制。这样,通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机,从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。
  矢量控制实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制,使交流传动系统的动态特性有了显著的改善,开创了交流传动的新纪元。矢量控制大大改善了异步电机的动态控制性能,使之能与直流机的控制效果相媲美。
  虽然只有短短三十多年的历史,但是结合现代控制理论的各种算法,如模糊控制、神经元网络控制和非线性控制等,矢量控制理论显示出了强大的生命力。现代控制理论和经典矢量控制算法的进一步结合已成为交流电机控制算法发展的一种趋势。
  再完美的控制理论,都需要基于合适的硬件载体来实现。
  交流电气传动的蓬勃发展,一方面离不开电力电子器件不断的发展和进步。交流调速技术的重大变革是以电力电子器件的发展为先导的。从20世纪50年代后期的可控硅(SCR),发展到60年代的门极可关断晶闸管(GTO)、大功率双极型晶体管(GTR),以及80年代以后出现的金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、智能功率模块(IPM)、集成门极换向晶闸管(IGCT)等等。尤其是IGBT的出现,迅速促使成熟可靠的交流调速产品进入各个工业领域。可以说,这些新型电力电子器件的发展给高性能交流调速技术的发展奠定了坚实的物质基础。
  另一方面,交流调速控制技术,尤其是复杂的矢量控制算法的实现,离不开微处理器技术和数字化控制技术取得的巨大进步。从上世纪90年代以来,随着大规模集成电路技术和微处理器技术的飞速发展,出现了各种高性能微处理器和控制器。特别是高速数字信号处理器(DSP)的出现,使得精度高、稳定可靠、易于调试修改的全数字化的高性能交流传动系统成为现实。
  由此可见,矢量控制核心理论的提出与以DSP为代表的高性能处理器的通用化,再加上电力电子器件取得的进步,并辅以现代控制理论,这四大因素的结合给电气传动领域带来了深刻的变革,极大地改变了电气传动的传统格局。可以这么说,现在的传动领域,几乎都是交流传动的天下。
  通过前面的陈述,可以知道具有矢量控制功能的变频调速产品的显著特点是,启动转矩大,一般可达100%~150%额定转矩,转矩动态响应快,带负载能力强,适应负载波动大的场合。
  利德华福致力于提供高性能、强鲁棒性、高可靠的高压变频调速产品。公司的HARSVERT-VA系列高压变频调速产品,包括上述矢量控制在内的详细性能情况,将在以后的文章里介绍。

参考文献
[1] 交流电机数字控制系统,李永东,机械工业出版社
[2] 无速度传感器矢量控制原理与实践,冯垛生,曾岳南,机械工业出版社

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