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变频器的工作原理

智能制造类 品管人生 2016-10-18 09:50 发表了文章 来自相关话题

 
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

VVVF:改变电压、改变频率 CVCF:恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz(50Hz),等等。通常,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。

用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。

变频器的工作原理:[login] 
我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:
n=60 f(1-s)/p (1)
式中
n———异步电动机的转速;
f———异步电动机的频率;
s———电动机转差率;
p———电动机极对数。
由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器接线图:





变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。

矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频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。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:
控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。
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变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

VVVF:改变电压、改变频率 CVCF:恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz(50Hz),等等。通常,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。

用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。

变频器的工作原理:[login] 
我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:
n=60 f(1-s)/p (1)
式中
n———异步电动机的转速;
f———异步电动机的频率;
s———电动机转差率;
p———电动机极对数。
由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器接线图:
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变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。

矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频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。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:
  • 控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;
  • 自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;
  • 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;
  • 实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。
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变频器在数控车床行业的应用

智能制造类 天黑请闭眼 2016-09-26 17:59 发表了文章 来自相关话题

现代机床多采用多电机拖动,主轴和各进给系统分别由各自电机拖动。由于机床可加工不同产品,材质、刀具、工序、工位各个不同,要求机床的执行部件有不同的运动速度和作用力,因此,机床的主运动应能进行调速。

传统的数控车床主轴调速,一般采用电机带动减速箱来传动和调速,即所谓机械调速,这种传动方式有以下三种特点:

负载具有恒功率特性,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比变化,所以,在齿轮箱变速时,如果不计齿轮箱的摩擦等因素造成的功率损耗,减速箱处于恒功率状态。

主轴速度变化一般是有级调速。齿轮箱的齿轮齿数固定,通过机械变换,只能产生有限几种速度,这些速度是跳跃、非连续的。

低速时过载能力强。传动系统在工作时的速度高于低速,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比,造成低速时转矩远大于工作转矩,给传动系统带来很强的低速过载能力。

随着电气传动技术,如变频调速技术的迅速发展和日趋完善,高速数控机床的主传动系统的机械结构得到极大的简化,基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。变频器通过调整频率和电压,简单地实现机床主轴无级调速,还可实现远距离操作,很容易实现自动控制。

数控车床在加工一些工件时,特别是低速粗加工的重切削情况下,要求能在低速运行下输出较大的力矩,对变频器的要求就是低频力矩大。

机床加工工件,大多数要求选择最经济的加工速度,在此速度下加工时,才能发挥机床和刀具的最大效益。一方面,随着工件的大小、材料性质、要求的尺寸精度、表面粗糙度以及所用刀具的不同,最经济的切削速度亦不相同,另一方面,机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等辅助工作的调整也需要不同的运动速度,因此就必须保证机床能在不同的速度下工作,以适应不同的加工工艺,这就要求变频器有较宽的调速范围。一般较低的要求为:1:100,高的要求为1:1000或以上。速度精度的要求一般要求静差度小于5%,更高的要求为1%以下,如果速降过大,则加工的质量就会受到影响,如光洁度就不好。

保证机床运动平稳的前提下,实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律能使机床更好地满足高精度加工要求,特别是在高速加工中,加减速功能显得尤为重要。数控系统加减速控制功能是指数控系统有程序预读功能——能“预测”加工方向的未来变化并调整运动速度使之符合编程表面要求;在被加工表面形状(曲率)发生变化时及时采取改变进给速度等措施以避免过切;当刀具切入工件时,数控系统可以根据需要自动降低进给速率,因此,数控系统加减速控制功能可使工程师在编程进给速率时只需用最高加工速度,数控系统能自动根据工件轮廓调整实际速度,可大大节省加工时间。在cnc装置中,为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对进给电机的频率或电压进行加减速控制,即在机床加速起动时保证加在电机上的频率或电压逐渐增加,而当机床减速停止时保证加在电机上的频率或电压逐渐减小。这些应用要求变频器的加减速快,以应对速度的迅速变化。

综上撰述,数控机床对变频器要求:

1、调速范围宽,低频力矩大;

2、速度控制精度高;

3、加减速快,刹车效果好;

4、适应金属加工金属粉尘多、油雾大的环境。
 
 
 
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现代机床多采用多电机拖动,主轴和各进给系统分别由各自电机拖动。由于机床可加工不同产品,材质、刀具、工序、工位各个不同,要求机床的执行部件有不同的运动速度和作用力,因此,机床的主运动应能进行调速。

传统的数控车床主轴调速,一般采用电机带动减速箱来传动和调速,即所谓机械调速,这种传动方式有以下三种特点:

负载具有恒功率特性,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比变化,所以,在齿轮箱变速时,如果不计齿轮箱的摩擦等因素造成的功率损耗,减速箱处于恒功率状态。

主轴速度变化一般是有级调速。齿轮箱的齿轮齿数固定,通过机械变换,只能产生有限几种速度,这些速度是跳跃、非连续的。

低速时过载能力强。传动系统在工作时的速度高于低速,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比,造成低速时转矩远大于工作转矩,给传动系统带来很强的低速过载能力。

随着电气传动技术,如变频调速技术的迅速发展和日趋完善,高速数控机床的主传动系统的机械结构得到极大的简化,基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。变频器通过调整频率和电压,简单地实现机床主轴无级调速,还可实现远距离操作,很容易实现自动控制。

数控车床在加工一些工件时,特别是低速粗加工的重切削情况下,要求能在低速运行下输出较大的力矩,对变频器的要求就是低频力矩大。

机床加工工件,大多数要求选择最经济的加工速度,在此速度下加工时,才能发挥机床和刀具的最大效益。一方面,随着工件的大小、材料性质、要求的尺寸精度、表面粗糙度以及所用刀具的不同,最经济的切削速度亦不相同,另一方面,机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等辅助工作的调整也需要不同的运动速度,因此就必须保证机床能在不同的速度下工作,以适应不同的加工工艺,这就要求变频器有较宽的调速范围。一般较低的要求为:1:100,高的要求为1:1000或以上。速度精度的要求一般要求静差度小于5%,更高的要求为1%以下,如果速降过大,则加工的质量就会受到影响,如光洁度就不好。

保证机床运动平稳的前提下,实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律能使机床更好地满足高精度加工要求,特别是在高速加工中,加减速功能显得尤为重要。数控系统加减速控制功能是指数控系统有程序预读功能——能“预测”加工方向的未来变化并调整运动速度使之符合编程表面要求;在被加工表面形状(曲率)发生变化时及时采取改变进给速度等措施以避免过切;当刀具切入工件时,数控系统可以根据需要自动降低进给速率,因此,数控系统加减速控制功能可使工程师在编程进给速率时只需用最高加工速度,数控系统能自动根据工件轮廓调整实际速度,可大大节省加工时间。在cnc装置中,为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对进给电机的频率或电压进行加减速控制,即在机床加速起动时保证加在电机上的频率或电压逐渐增加,而当机床减速停止时保证加在电机上的频率或电压逐渐减小。这些应用要求变频器的加减速快,以应对速度的迅速变化。

综上撰述,数控机床对变频器要求:

1、调速范围宽,低频力矩大;

2、速度控制精度高;

3、加减速快,刹车效果好;

4、适应金属加工金属粉尘多、油雾大的环境。
 
 
 
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变频器的工作原理

智能制造类 品管人生 2016-10-18 09:50 发表了文章 来自相关话题

 
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

VVVF:改变电压、改变频率 CVCF:恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz(50Hz),等等。通常,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。

用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。

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我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:
n=60 f(1-s)/p (1)
式中
n———异步电动机的转速;
f———异步电动机的频率;
s———电动机转差率;
p———电动机极对数。
由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器接线图:





变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。

矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频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。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:
控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。
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变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

VVVF:改变电压、改变频率 CVCF:恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz(50Hz),等等。通常,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。

用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。

变频器的工作原理:[login] 
我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:
n=60 f(1-s)/p (1)
式中
n———异步电动机的转速;
f———异步电动机的频率;
s———电动机转差率;
p———电动机极对数。
由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器接线图:
4.1_.JPG


变频器控制方式
低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。

矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频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。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:
  • 控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;
  • 自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;
  • 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;
  • 实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。
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变频器在数控车床行业的应用

智能制造类 天黑请闭眼 2016-09-26 17:59 发表了文章 来自相关话题

现代机床多采用多电机拖动,主轴和各进给系统分别由各自电机拖动。由于机床可加工不同产品,材质、刀具、工序、工位各个不同,要求机床的执行部件有不同的运动速度和作用力,因此,机床的主运动应能进行调速。

传统的数控车床主轴调速,一般采用电机带动减速箱来传动和调速,即所谓机械调速,这种传动方式有以下三种特点:

负载具有恒功率特性,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比变化,所以,在齿轮箱变速时,如果不计齿轮箱的摩擦等因素造成的功率损耗,减速箱处于恒功率状态。

主轴速度变化一般是有级调速。齿轮箱的齿轮齿数固定,通过机械变换,只能产生有限几种速度,这些速度是跳跃、非连续的。

低速时过载能力强。传动系统在工作时的速度高于低速,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比,造成低速时转矩远大于工作转矩,给传动系统带来很强的低速过载能力。

随着电气传动技术,如变频调速技术的迅速发展和日趋完善,高速数控机床的主传动系统的机械结构得到极大的简化,基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。变频器通过调整频率和电压,简单地实现机床主轴无级调速,还可实现远距离操作,很容易实现自动控制。

数控车床在加工一些工件时,特别是低速粗加工的重切削情况下,要求能在低速运行下输出较大的力矩,对变频器的要求就是低频力矩大。

机床加工工件,大多数要求选择最经济的加工速度,在此速度下加工时,才能发挥机床和刀具的最大效益。一方面,随着工件的大小、材料性质、要求的尺寸精度、表面粗糙度以及所用刀具的不同,最经济的切削速度亦不相同,另一方面,机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等辅助工作的调整也需要不同的运动速度,因此就必须保证机床能在不同的速度下工作,以适应不同的加工工艺,这就要求变频器有较宽的调速范围。一般较低的要求为:1:100,高的要求为1:1000或以上。速度精度的要求一般要求静差度小于5%,更高的要求为1%以下,如果速降过大,则加工的质量就会受到影响,如光洁度就不好。

保证机床运动平稳的前提下,实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律能使机床更好地满足高精度加工要求,特别是在高速加工中,加减速功能显得尤为重要。数控系统加减速控制功能是指数控系统有程序预读功能——能“预测”加工方向的未来变化并调整运动速度使之符合编程表面要求;在被加工表面形状(曲率)发生变化时及时采取改变进给速度等措施以避免过切;当刀具切入工件时,数控系统可以根据需要自动降低进给速率,因此,数控系统加减速控制功能可使工程师在编程进给速率时只需用最高加工速度,数控系统能自动根据工件轮廓调整实际速度,可大大节省加工时间。在cnc装置中,为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对进给电机的频率或电压进行加减速控制,即在机床加速起动时保证加在电机上的频率或电压逐渐增加,而当机床减速停止时保证加在电机上的频率或电压逐渐减小。这些应用要求变频器的加减速快,以应对速度的迅速变化。

综上撰述,数控机床对变频器要求:

1、调速范围宽,低频力矩大;

2、速度控制精度高;

3、加减速快,刹车效果好;

4、适应金属加工金属粉尘多、油雾大的环境。
 
 
 
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现代机床多采用多电机拖动,主轴和各进给系统分别由各自电机拖动。由于机床可加工不同产品,材质、刀具、工序、工位各个不同,要求机床的执行部件有不同的运动速度和作用力,因此,机床的主运动应能进行调速。

传统的数控车床主轴调速,一般采用电机带动减速箱来传动和调速,即所谓机械调速,这种传动方式有以下三种特点:

负载具有恒功率特性,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比变化,所以,在齿轮箱变速时,如果不计齿轮箱的摩擦等因素造成的功率损耗,减速箱处于恒功率状态。

主轴速度变化一般是有级调速。齿轮箱的齿轮齿数固定,通过机械变换,只能产生有限几种速度,这些速度是跳跃、非连续的。

低速时过载能力强。传动系统在工作时的速度高于低速,由于齿轮箱的转矩跟速度成反比,造成低速时转矩远大于工作转矩,给传动系统带来很强的低速过载能力。

随着电气传动技术,如变频调速技术的迅速发展和日趋完善,高速数控机床的主传动系统的机械结构得到极大的简化,基本上取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零,实现了机床的“零传动”。变频器通过调整频率和电压,简单地实现机床主轴无级调速,还可实现远距离操作,很容易实现自动控制。

数控车床在加工一些工件时,特别是低速粗加工的重切削情况下,要求能在低速运行下输出较大的力矩,对变频器的要求就是低频力矩大。

机床加工工件,大多数要求选择最经济的加工速度,在此速度下加工时,才能发挥机床和刀具的最大效益。一方面,随着工件的大小、材料性质、要求的尺寸精度、表面粗糙度以及所用刀具的不同,最经济的切削速度亦不相同,另一方面,机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等辅助工作的调整也需要不同的运动速度,因此就必须保证机床能在不同的速度下工作,以适应不同的加工工艺,这就要求变频器有较宽的调速范围。一般较低的要求为:1:100,高的要求为1:1000或以上。速度精度的要求一般要求静差度小于5%,更高的要求为1%以下,如果速降过大,则加工的质量就会受到影响,如光洁度就不好。

保证机床运动平稳的前提下,实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律能使机床更好地满足高精度加工要求,特别是在高速加工中,加减速功能显得尤为重要。数控系统加减速控制功能是指数控系统有程序预读功能——能“预测”加工方向的未来变化并调整运动速度使之符合编程表面要求;在被加工表面形状(曲率)发生变化时及时采取改变进给速度等措施以避免过切;当刀具切入工件时,数控系统可以根据需要自动降低进给速率,因此,数控系统加减速控制功能可使工程师在编程进给速率时只需用最高加工速度,数控系统能自动根据工件轮廓调整实际速度,可大大节省加工时间。在cnc装置中,为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡,必须对进给电机的频率或电压进行加减速控制,即在机床加速起动时保证加在电机上的频率或电压逐渐增加,而当机床减速停止时保证加在电机上的频率或电压逐渐减小。这些应用要求变频器的加减速快,以应对速度的迅速变化。

综上撰述,数控机床对变频器要求:

1、调速范围宽,低频力矩大;

2、速度控制精度高;

3、加减速快,刹车效果好;

4、适应金属加工金属粉尘多、油雾大的环境。
 
 
 
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