Низковольтные преобразователи частоты общего-назначения имеют выходное напряжение 380–650 В, выходную мощность 0,75–400 кВт и рабочую частоту 0–400 Гц.
Во всех их основных цепях используются цепи переменного-постоянного-переменного тока. Их методы управления прошли через следующие четыре поколения:
Метод управления с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (SPWM)
Его характеристики включают простую структуру схемы управления, более низкую стоимость и хорошие механические характеристики, отвечающие требованиям плавного регулирования скорости в приводах общего назначения. Он широко используется в различных отраслях промышленности. Однако на низких частотах из-за низкого выходного напряжения на крутящий момент существенно влияет падение напряжения на сопротивлении статора, снижая максимальный выходной крутящий момент. Кроме того, его механические характеристики не такие надежные, как у двигателя постоянного тока, а его динамический крутящий момент и характеристики статического управления скоростью не совсем удовлетворительны. Производительность системы невысока, кривая управления меняется при изменении нагрузки, реакция крутящего момента медленная, а использование крутящего момента двигателя низкое. На низких скоростях производительность ухудшается из-за сопротивления статора и эффектов мертвой зоны инвертора, а также ухудшается стабильность. Поэтому исследователи разработали векторное управление переменной частотой и скоростью.
Метод управления с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией напряжения (SVPWM)
Этот метод основан на общем эффекте генерации трехфазного сигнала и направлен на приближение к идеальной круговой траектории вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре двигателя. Он генерирует трехфазный модулированный сигнал за один шаг, используя вписанный многоугольник для аппроксимации круга. После практического использования он был усовершенствован за счет введения частотной компенсации для устранения ошибок регулирования скорости; оценка амплитуды магнитного потока посредством обратной связи для устранения влияния сопротивления статора на малых скоростях; и замыкание контуров выходного напряжения и тока для повышения динамической точности и стабильности. Однако схема управления имеет множество компонентов, а регулирование крутящего момента не введено, поэтому производительность системы принципиально не улучшилась.
Метод векторного управления (VC)
Регулирование частоты с векторным управлением включает преобразование токов статора Ia, Ib и Ic асинхронного двигателя в трех-фазной системе координат в эквивалентные переменные токи Ia1 и Ib1 в двух-фазной стационарной системе координат путем преобразования из трех-фаз в две-фазы. Затем посредством вращательного преобразования, ориентированного магнитным полем ротора, они преобразуются в эквивалентные постоянные токи Im1 и It1 в синхронно вращающейся системе координат (Im1 эквивалентен току возбуждения двигателя постоянного тока; It1 эквивалентен току якоря, пропорциональному крутящему моменту). Затем имитируется метод управления двигателем постоянного тока для получения управляющих величин двигателя постоянного тока. Путем соответствующих обратных преобразований координат достигается управление асинхронным двигателем. По сути, это эквивалентно преобразованию двигателя переменного тока в двигатель постоянного тока и независимому управлению скоростью и компонентами магнитного поля. Управляя потокосцеплением ротора, а затем разлагая ток статора для получения компонентов крутящего момента и магнитного поля, ортогональное или несвязанное управление достигается за счет преобразования координат. Внедрение метода борьбы с переносчиками было новаторским. Однако в практических приложениях из-за сложности точного наблюдения за потокосцеплением ротора на характеристики системы сильно влияют параметры двигателя, а преобразование векторного вращения, используемое в эквивалентном процессе управления двигателем постоянного тока, является сложным, что затрудняет достижение идеальных аналитических результатов на практике.
Метод прямого управления крутящим моментом (DTC)
В 1985 году профессор ДеПенброк из Рурского университета в Германии впервые предложил технологию переменной частоты прямого управления крутящим моментом. Эта технология в значительной степени решила недостатки упомянутого выше векторного метода управления и быстро развивалась благодаря своей новой концепции управления, простой и понятной структуре системы, а также превосходным динамическим и статическим характеристикам. Эта технология успешно применяется в приводах переменного тока большой-мощности для тяги электровозов. Прямое управление крутящим моментом напрямую анализирует математическую модель двигателя переменного тока в системе координат статора и управляет потокосцеплением и крутящим моментом двигателя. Он не требует преобразования двигателя переменного тока в эквивалентный двигатель постоянного тока, что исключает множество сложных вычислений при преобразовании векторного вращения; ему не нужно имитировать управление двигателем постоянного тока или упрощать математическую модель двигателя переменного тока для развязки.
Метод управления матричным преобразователем
Переменная частота VVVF, переменная частота с векторным управлением и переменная частота с прямым крутящим моментом представляют собой типы преобразования частоты переменного-постоянного-переменного тока. Их общие недостатки включают низкий входной коэффициент мощности, большие токи гармоник, необходимость использования больших конденсаторов для хранения энергии в цепи постоянного тока и неспособность подавать рекуперативную энергию обратно в электросеть, что означает, что они не могут работать в четырех квадрантах. Поэтому появились матричные преобразователи. Поскольку матричные преобразователи устраняют промежуточное звено постоянного тока, они устраняют необходимость в больших и дорогих электролитических конденсаторах. Они могут достигать коэффициента мощности, равного 1, синусоидального входного тока и работы в четырех-квадрантах, что приводит к высокой плотности мощности. Хотя эта технология еще не развита, она продолжает привлекать многих ученых для углубленных исследований. Его суть заключается не в косвенном управлении током, магнитным потоком и т.п., а в прямом управлении крутящим моментом. Конкретные методы:
Управление магнитным потоком статора путем введения наблюдателя магнитного потока статора для достижения бездатчикового метода управления.
Автоматическая идентификация (ID) основана на точной математической модели двигателя для автоматического определения параметров двигателя.
Расчет фактических значений полного сопротивления статора, взаимной индуктивности, коэффициентов магнитного насыщения, инерции и т. д. для расчета фактического крутящего момента, магнитного потока статора и скорости ротора для управления в реальном-времени.
Реализация диапазонного-диапазонного управления: генерация сигналов ШИМ на основе диапазонного-диапазонного управления магнитным потоком и крутящим моментом для управления состоянием переключения инвертора.
Матричные преобразователи имеют быструю реакцию крутящего момента (<2ms), high speed accuracy (±2%, without PG feedback), and high torque accuracy (<+3%); they also have high starting torque and high torque accuracy, especially at low speeds (including zero speed), where they can output 150% to 200% torque.