交流電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研究

姚勇

摘 要：在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中，許多項目廣泛應用了交流調(diào)速技術。中國許多大型的工業(yè)項目都應用了交流調(diào)速傳統(tǒng)技術，比如，風機、水泵高壓變頻節(jié)能傳動，高速鐵路推動牽引，大型的冷軋機和熱軋機交流傳動，大型的船舶電力推進，以及西氣東輸工程中的大型壓縮機傳動等等。探討了DTC（直接轉矩控制）以及VC（矢量控制）的發(fā)展現(xiàn)狀以及歷史，并且對于無速度傳感器、穩(wěn)態(tài)特征以及兩者的轉矩響應進行簡要分析和探討。

關鍵詞：無速度傳感器控制；轉矩響應；直接轉矩控制；矢量控制

前言

在市場容量逐漸提升的過程中，國際范圍中各種產(chǎn)品的競爭越來越激烈。在產(chǎn)品技術競爭的過程中，直接轉矩控制成為了競爭的熱點。在全面展示和挖掘DTC控制前提下，被廣泛宣傳的DTC技術特點就是其轉矩響應速度高于VC，速度在1到3ms之間，所以能夠實現(xiàn)無速度傳感器的調(diào)速控制，在速度為零時，達到滿負荷輸出的狀態(tài)。

1 對轉矩響應的分析

通過使用DTC直接轉矩控制下的交流調(diào)速系統(tǒng)，相應的轉矩響應速度要明顯高于矢量控制。直接轉矩控制系統(tǒng)中，相應的轉矩階躍響應大概在1ms左右。矢量控制系統(tǒng)中，相應的轉矩階躍響應在6到7ms之間。對于DTC的轉矩響應為什么比矢量控制更快，一般來說，對于DTC這種控制系統(tǒng)，實際的定子轉矩都是由相應的電機電壓以及實際電流來進行計算的，為了達到相應變頻器PWM控制的要求，使用了砰-砰控制的模式，在這種系統(tǒng)中，并沒有包含相應的電流控制環(huán)路，因此相關人員對于控制系統(tǒng)的關注，不能放在電壓上，而需要放在電流方面，把實際的交流電流依據(jù)磁場的相應坐標軸，劃分成轉矩分量以及相應的磁場分量，給予針對性的控制。要把關注點放到控制電流上，對于交流電機，如果想要加快轉矩響應，如果不改變磁鏈就需要，加快電流的變化，這就需要電壓產(chǎn)生快速的變化。對于矢量控制系統(tǒng)來世，有電流調(diào)節(jié)器來控制輸出電壓，所以對于電流的調(diào)節(jié)會產(chǎn)生一定的滯后。但是，當前的適量控制系統(tǒng)中，可以通過調(diào)節(jié)和控制電流以及前饋電壓來產(chǎn)生輸出電壓，通過前饋電壓控制可以提升動態(tài)響應速度，而且可以通過精確計算模型來控制電壓輸出，不會產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，而且電流處于受控范圍中。DTC因為缺乏電流控制環(huán)路，所以電壓能夠產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，所以電機的加速電流比較高，自然而然就能獲得較快的轉矩響應以及電流響應。

DTC變頻器實際上具有極強的轉矩響應，這是無可爭議的。我國著名的清華大學對電機的實際實驗報告結果也肯定的證實了相應的結論。如果真的對于轉矩響應的要求非常之高，比如交流伺服傳動的情況或者機車牽引的情況，就可以應用DTC技術。如果相應的場合對于轉矩響應只有比較低的要求，尤其是具有齒輪連接的傳動情況，如果轉矩響應太快，不僅無法帶來好處，還會產(chǎn)生負面效果。

2 變頻器的穩(wěn)態(tài)特征分析

DTC變頻器使用的是砰-砰控制，所以能夠獲得良好的轉矩響應，但是因為這種變頻器的開關頻率并不確定，所以會產(chǎn)生隨機的變化，通過分析可以得出DTC變頻器的幾個主要問題：第一，如果電子電力元器件情況相同，變頻器只有略小的輸出容量。第二，變頻器的效率相對較低。第三，變頻器的輸出電壓相對較低。第四，變頻器的電流諧波以及電壓較大。第五，客觀的分析，DTC的變頻器相比于矢量控制有著較大的區(qū)別，也就是難以在已經(jīng)確定了開關頻率的前提下，應用消除諧波的PWM控制。

所以客觀地說，和VC這種形式相比較，DTC控制變頻器的實際穩(wěn)態(tài)指標十分的差，因此，如果相應的通用變頻器對于良好的動態(tài)性能指標沒有一定的要求，簡單舉幾個例子：風機的節(jié)能傳動情況、水泵的節(jié)能傳動情況以及工業(yè)上的機械傳動情況，對于這些實際情況來講，實際的效率、容量利用率以及實際的變頻器諧波都是極為重要的。VC這種模式應用意義比較高，優(yōu)勢十分明顯。

對于那些大中型的傳動設備，如果相關人員選用了IGCT元件的高壓三電平變頻器，那么必然的需要關注變頻器的實際效率以及具體容量指標。本文在表1中，就列出了使用VC或者DTC這兩種控制模式的實際IGCT高壓三電平變頻器技術的真實數(shù)據(jù)。

3 無速度傳感器的控制

在個別的產(chǎn)品銷售宣傳中，宣稱DTC技術的特點是，無速度傳感器控制DTC變頻器，在零速狀態(tài)達到滿負荷輸出，這種說法是不正確的。VC和DTC采用相同的交流電機設計模型，但是DTC并沒有無速度傳感器控制得相關專利技術內(nèi)容。對于無速度傳感器控制來說，屬于VC控制以及DTC控制中的相同研究題目內(nèi)容。比如，魯爾大學的相關教授就曾在我國講學中強調(diào)，DTC變頻器并不具備較好的低速控制性能，所以為了改進這種變頻器的低速性能，需要使用ISR這種間接的控制方式，這種控制方法的原理是使用電流和電壓依靠電機模型來得出了轉子磁鏈，并且使用轉子磁鏈控制實現(xiàn)對于DTC低速性能的補償。對于控制系統(tǒng)來說，在低速時使用ISR，速度提升之后才進入到DTC狀態(tài)，所以說，是利用VC來實現(xiàn)DTC的低速控制的。

對于無速度傳感器來說，屬于交流電機調(diào)速控制研究中的重要內(nèi)容，也屬于我國相關學術界以及變頻器生產(chǎn)制造中的熱點研究內(nèi)容。我國各個高校投入了許多的研究精力，并且發(fā)表了較多的論文，但是我國對于無速度傳感器的實踐應用和國外發(fā)達國家的水平相差較大。我國的許多變頻器的水平都是在V/F控制階段，但是國外發(fā)達國家已經(jīng)把無速度傳感器控制做成了量產(chǎn)的產(chǎn)品。日本電器學會在2000年曾經(jīng)調(diào)查了各個大型的電氣企業(yè)的通用變頻器所使用的無速度傳感器。相關的無速度傳感器控制系統(tǒng)主要分成四種形式：第一，角速度計算方式。第二，MRAS模型參考自適應法。第三，感應電勢計算法。

4 結束語

綜上所述，在討論VC技術以及DTC技術的過程中，需要充分排除市場競爭中的商業(yè)因素，并且認清相關技術的真實面目，加強對于VC以及DTC的實踐和理論探究，在對比VC以及DTC技術的缺點和優(yōu)點過程中，不僅需要明確適用的場合，還需要明確VC技術以及DTC技術探索中的問題，努力發(fā)展我國自主研發(fā)的交流電機調(diào)速控制技術，為后續(xù)的交流調(diào)速技術的實際工程應用奠定基礎；這更為工礦企業(yè)特別是發(fā)電廠優(yōu)化變頻器選型改造提供了有益借鑒。

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