中国逆变器行业十年关键字四——矢量控制——摘自《变频器世界》
时间:2019-03-24 23:56:41 来源:南关门户网 作者:匿名


矢量控制(VC),也称为磁场定向控制,是作为坐标轴的参考方向的AC电动机的AC磁场矢量的参考方向。定子定子电流通过坐标变换正交分解为磁场方向。然后,均匀的励磁电流分量和垂直于磁场方向的转矩电流分量可以如在DC电动机中那样分别控制励磁电流分量和转矩电流分量。矢量控制理论的引入为交流调速系统开辟了广阔的空间。

20世纪70年代传播控制方法的萌芽

1968年,Darmstader工程大学的Hasse博士最初提出了磁场定向控制理论。后来,在1971年,德国西门子的F. Blaschke博士提出了“感应电动机磁场定向的控制原理”以及PCCustman和AAClark在美国的专利。异步电动机定子电压的坐标变换控制为矢量控制奠定了基础。矢量控制实现了交流电机磁链和转矩的解耦控制,使交流传动系统的动态特性得到显着改善,开创了交流传动的新纪元。矢量控制大大提高了异步电机的动态控制性能,使其可与直流电机的控制效果相媲美。

矢量控制包括坐标变换和旋转以及涉及非线性的其他复杂操作。算术处理的规模是DC速度调节的几倍,并且当前控制系统不能执行实时控制。由普通晶闸管组成的逆变器必须具有复杂的换向电路才能工作,这降低了系统的可靠性。另一方面,由于逆变器的开关频率非常低,因此无法适应矢量控制中的电压和电流。变化很快。因此,20世纪70年代的矢量控制没有投入实际应用,但德国,美国,英国,法国,意大利和加拿大等发达国家对当时和日本的矢量控制技术的研究给予了高度重视,并做了很多研究工作。

20世纪80年代矢量控制技术的发展

欧洲是矢量控制技术的发源地,其研究水平始终处于世界前列。在20世纪80年代中期到90年代初的欧洲电力电子会议(EPE)论文中,涉及矢量控制的大部分论文都涉及到,包括西门子,亚琛工业大学和电力电子与电力传动研究所。 Braunchweig理工大学教授W. Leonhard,R。Gabriel,G。Heinemann等人对矢量控制的应用做出了突出贡献,并在微处理器矢量控制的应用方面取得了许多重大进展,促进了矢量控制。实际的。定子电流去耦控制可以通过直接或间接获得转子磁链的空间位置来实现。在该矢量控制系统中,需要转子位置或速度传感器,这显然给许多应用带来不便。尽管如此,矢量控制技术仍在尝试集成到通用逆变器中。还出现无速度传感器矢量控制(消除了轴角度编码器)和其他驱动算法。而且,这些改进仍在加速。90年代矢量控制应用成熟

完美的控制理论需要基于合适的硬件载体来实现。交流电驱动的蓬勃发展离不开电力电子器件的不断发展和进步。 AC速度控制技术的一个重大变化是电力电子设备的发展。从20世纪50年代后期的晶闸管(SCR)到20世纪60年代的栅极关断晶闸管(GTO),高功率双极晶体管(GTR),以及20世纪80年代后出现的金属氧化物半导体场效应。晶体管(MOSFET),绝缘栅双极晶体管(IGBT),智能功率模块(IPM),集成门极换流晶闸管(IGCT)等。特别是IGBT的出现迅速促使成熟可靠的交流调速产品进入各种工业领域。可以说,这些新型电力电子器件的发展为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,交流调速技术,特别是复杂矢量控制算法的实现,与微处理器技术和数字控制技术的巨大进步密不可分。 Danfoss Drives产品经理Tom Momberger表示,“微处理器技术在变频器中的应用是当今交流变频器性能提升的主要原因。”自1992年以来,西门子通过FC,VC开发了6SE70通用系列,SC板可分别实现频率控制,矢量控制和伺服控制。 1994年,该系列产品扩展至315千瓦或更高。

引入矢量控制核心理论和以DSP为代表的高性能处理器的推广,再加上电力电子技术的进步,以及现代控制理论,这四个因素的结合带来了电力驱动领域的深刻变革。数字信号处理器(DSP)的高速计算能力简化了矢量控制的软件和硬件结构,特别是1983年SNJoenen的无传感器矢量控制(SVC)系统,这是一种性能更好的SVC解决方案。实施提供了物质保证。 IGBT的进一步发展也为SVC应用提供了更好的平台。除了提高功率器件的开关速度外,IGBT还可以快速调节电机的工作电压。这使得无带宽无速度矢量控制成为可能,并允许快速和精确地控制速度分布和定位。 SVC的实现引起了业界人士的广泛关注。东芝GE,安川等公司于1987年发布了他们的研究成果。95年后,西门子,安川,东芝GE,罗克韦尔,Mistubishi和富士等知名公司推出了自己的产品。 SVC控制产品,控制特性也在不断提高,无速度传感器矢量控制向高性能通用变频器迈出了一大步。20世纪无速度矢量控制技术的快速发展

自20世纪初以来,矢量控制的研究仍在全面展开。德国,日本和美国仍然处于世界前列,但这三个国家中的每一个都有其自身的优点。日本在速度无传感器研究方面更先进,主要用于通用变频器;美国研究人员对电机参数识别进行了更深入的研究,并将神经网络控制和模糊控制等最新控制技术应用于此方面。许多文章已在IEEE会议和期刊上发表。德国在将矢量控制技术应用于高功率系统方面具有很强的实力。西门子已开始将矢量控制技术应用于兆瓦级电源应用,如交流驱动电力机车。

SVC可以获得闭环控制性能,同时消除速度传感器,通过转子电动势计算转速,将定子电流转矩分量与PI进行比较,以控制闭环结构速度。一些研究人员提出使用转子转子谐波来独立识别转速。参数适应的研究仍然是深入的。如何提高SVC系统的适应性和鲁棒性无疑是一个重要的研究课题。

如今,无速度传感器技术的使用已成为高性能通用逆变器和通用逆变器的分水岭。三菱先进的磁通矢量控制代表了最新的无速度传感器控制技术。西门子SE6300,三菱A740,FUJI的VG7S,安川的G7,艾默生的EV6000和科比的COMBIVERTF5都是无速的。传感器矢量控制频率转换的范例。国内森兰,汇川,英威腾,普川等公司也纷纷推出高性能矢量变频器。上海艾派电力电子有限公司率先开发出无速度传感器控制的高性能级联高压变频器。

施耐德的驱动营销经理Susan Bowler认为,无速控制技术的吸引力在于以最小的额外成本实现极大的性能提升,包括低速特性,扭矩响应和定位功能。西门子交流传动产品经理柯克帕特里克认为,目前大多数交流传动产品都是SVC控制的。闭环磁通矢量控制(FVC)仅用于需要更严格的速度控制和零速转矩控制的应用中。引用

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