矩阵变频器发展前景

时间：2015-06-02 来源：电工之家 点击量：108

随着变频控制理论和制造工艺的进一步成长，变频器的运用和成长将会朝着以下标的目的成长:

(1)矩阵变频器的泛起和推行;

(2)网络化设置装备摆设的变频器将成为主流;

(3)同步电念头的变频运用将获得更为迅猛的成长。

2矩阵变频器的泛起

多年来，电气传动专家一直都在计议关于“矩阵变换”技术的变频器将会是下一代变频器。几个主要的传动供给商包括罗克韦尔、西门子等都在研究该项技术。舆论一直认为:虽然矩阵变频用具有很是诱人的前景，可是由于成本太高而没法在今朝进行商业化运用。

年夜家都知道，由于矩阵式交-交变频器省往了中心直流环节，从而省往了体积年夜、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输进电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度年夜，并能实现轻量化。

现在，安川公司已有迹象显示该公司筹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，安川展现了行将生产的矩阵变频器的原型)，并暗示公司计划在明年启动销售策略，同时已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，依照预定的数学算法控制开关顺序，并直接毗连到三相机电上。在安川矩阵变频器中有9个开关，每个都有2个IGBT组成双向开关，能允许正向电压和负向电压通到机电上。IGBT数目的增加是致使矩阵变频器造价昂贵的其中一个身分。

矩阵变频器使用了三相电压输进来控制输出电压，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“可以有用地进行输进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:能年夜年夜下降输进电流谐波的发生，只有年夜约传统交-直-交变频器的20％以下。而且矩阵变频器的电流几近是正弦波，即使在带载情况下，也是如斯。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装备(如变压器等)进行处置。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往失落了直流电容,作为有一定寿命地铝电解电容,交-直-交变频器就必需在一定年限更换电容,如5~8年,矩阵变频器就能长时间靠得住工作。

安川公司开初的计划是将新的矩阵变频器主要用到能够阐扬其利益和优点的场所中，如它的处置再生能量功能，在起重、电梯、离心计心情和其他需要接连电动又接连制动发电的场所。固然，它也能够装在那些需要制动，但又没有空间安装制动电阻或安装电阻会引发意外事故的地方，如酒精厂、化工场等。另外一个很是有潜力的地方，就是需要有低谐波的运用场所。如在汽船上，就能允许安装更小的发机电组。在一些隔离系统中能下降装备的体积，而省往了类似12脉冲变频器系统中的额外变压器。

在安川的计划中，矩阵变频器将慢慢笼盖400V的5.5~22kW，直至75kW，固然也有200V级的5.5~45kW变频器。至于价格策略今朝还没有公布，但基本上为今朝通功率段传统变频器的2倍左右。

3以网络设置装备摆设为主的系统化

变频器的网络化设置装备摆设主要基于三个层面:装备层、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等的现场总线协议和Internet局域网协议。针对分歧的控制系统和分歧的用户要求，设置装备摆设和选用分歧的网络协议。

网络化设置装备摆设的变频用具有以下显著的特点:

(1)高精度的频率设定;

(2)远程控制与工场信息化的基本要素;

(3)远程诊断系统。

经由过程网络设定频率是一种高精度的频率设定，其具有通讯速度高，稳定靠得住，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，进进输进端(变频器)又经过一个模数转换器才能介入控制。两个转换器位数分歧和导线消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，在传输进程中不会造成消耗，而且响应速度率也会很高。

变频器经常被用于系统复杂、工作情况恶劣、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。变频器故障率在这类情况中自然比力高，一般都接纳事后维修的方式进行，随着电子技术的成长，传统的维修方式将变为故障预告和整机在线维修。有需要对其实现在线工作状态的监测和常规故障机理的综合分析研究，以便对其故障的事前诊断分析。今朝年夜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年夜进展，并已投进现实运行。

在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线毗连方式而言，经由过程高速通讯毗连的变频器系统可以最年夜水平上下降系统维护时间、提高生产效率、削减运行成本。今朝安装的现场总线模块有ProfibusDP、Interbus、DeviceNet、CANOpen和ModbusPlus等。用户可以有更年夜的自由凭据生产进程来选择PLC型号和品牌，并很是简单地集成到现有地网络中往。而且经由过程现场总线模块，可以不斟酌变频器的型号，而以统一种语言来与分歧功率段、分歧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，可以经由过程PC机来利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，哄骗后者地现场总线技术进行通讯互联。这类毗连方式能经由过程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进数据进程、输出数据进程的交换。而且，总线互联方式可以经由过程WAGO公司专用的软件功能块(SEW.LIB)利便地进行变频器参数的读取。该方式能在最年夜水平上下降变频器系统的构建成本。

4同步机电的配合运用

交流同步电念头已成为交流可调速传动中的一颗新星，出格是永磁同步电念头，机电是无刷结构，功率因数高、效率也高，转子转速严酷与电源频率连结同步。同步机电变频调速系统有他控变频和自控变频两年夜类，自控变频同步机电在原理上和直流机电极为相似，用电力电子变流器取代了直流机电的机械换向器，如采用交-直-交变压变频器时叫做“直流无换向器机电”或称“无刷直流电念头”。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，且已取得重年夜前进和在市场的成功运用。同步机电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机电简单。

现在以ABB运用在造纸同步机电上的变频运用为例来说明。

ABB公司有着100多年从事纸机传动系统设计和供给的历史,从最初的长轴传动,到上世纪六十年月的直流分部传动,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年在芬兰一家纸厂运用了一个新的纸机传动系统,即采用同步电念头的直接变频传动。其后，ABB很是顺遂而且成功地在纸机工业规模化运用了同步变频系统。

传统的传动系统(包括直流或异步交流机电)都是经由过程减速箱与机电相连，最后与纸机传动部门毗连;而在同步变频传动中，机电则直接耦合到纸机传动部门的，取消了中心环节。

在ABB系统中，传动系统凡是是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机电(同步机电的一种)驱动软件。同步机电允许在纸机上采用无编码器的运行方式。传动部门的控制系统、运用软件和人机界面的控制这几部门都是跟ABB在纸机上的解决方案一致。是以，直接传动能与其他的ABB传动方案同时并列运行，而且ACS600变频器无须更换就能够升级到新的直接传动系统上。

采用同步机电的最有用特点:

(1)年夜年夜下降机电尺寸;

(2)高效率的转矩输出;

(3)无编码器运行。

今朝年夜大都的纸机需要安装速度编码器来反馈机电转速，而且编码器也被证实是靠得住的。可是安装的编码器由因而采用轴承需要常划定期性的维护调养和润滑，在一个年夜型的纸机(如50个传动)上每隔一定的周期还必需更换所有的编码器以避免意外的由编码器故障引发的纸机停机。从这个层面上来说，无编码器的运行自然是同步机电直接传动的一个优点和着眼点。

机电的现实速度是需要同时反馈和监测的，一个计较机电速度的新方式已在ACSDTC获得成长和运用。为ABB造纸部门对直接传动的37kW永磁机电进行测试得出的波形曲线。上面的2条曲线是暗示经速度编码器丈量的数据和经由过程变频器计较出来的数据。从图中可以看出两条曲线几近是一致的，即使在动态扰动中也是少有误差。第3条曲线是暗示机电由于突加负载发生的机电转矩，该负载的变化年夜概是正常负载的1/3，以暗示在机电在正常运行下突然有一个年夜的变化。将ABB传统的交撒播动纸机改造成一个直接传动的纸机系统长短常简单的，纸厂需要采办新的直接传动部门的机电，同时将ABB的常规变频器ACS600经由过程下载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撒播动同时正常运行。总而言之，用户将从直接传动中获益。

固然，在其他行业如纺织、电梯等行业同步机电的变频系统也取得了卓有成效的推行。

我们知道，同步变频系统在硬件上并没有太年夜区分，甚至可以直接使用，而软件上就必需采用新的控制思绪。矢量控制是一种控制永磁同步机电的实用而有用的方式。其基本思想是在三相永磁同步电念头上想法模拟直流电念头转矩控制的纪律，在磁场定向坐标上，将电流矢量份量分化成发生磁通的励磁电流份量id和发生转矩的转矩电流iq份量，并使两份量相互垂直，彼此自力。当给定Id_Ref=0，这时候凭据机电的转矩公式可以获得T∝φiq。由于Id_Ref=0，那末φ就基本恒定，这样只要调理电流iq就能够象控制直流电念头一样控制永磁同步电念头。