交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研究

姚勇

摘 要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過(guò)程中，許多項(xiàng)目廣泛應(yīng)用了交流調(diào)速技術(shù)。中國(guó)許多大型的工業(yè)項(xiàng)目都應(yīng)用了交流調(diào)速傳統(tǒng)技術(shù)，比如，風(fēng)機(jī)、水泵高壓變頻節(jié)能傳動(dòng)，高速鐵路推動(dòng)牽引，大型的冷軋機(jī)和熱軋機(jī)交流傳動(dòng)，大型的船舶電力推進(jìn)，以及西氣東輸工程中的大型壓縮機(jī)傳動(dòng)等等。探討了DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）以及VC（矢量控制）的發(fā)展現(xiàn)狀以及歷史，并且對(duì)于無(wú)速度傳感器、穩(wěn)態(tài)特征以及兩者的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和探討。

關(guān)鍵詞：無(wú)速度傳感器控制；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)；直接轉(zhuǎn)矩控制；矢量控制

前言

在市場(chǎng)容量逐漸提升的過(guò)程中，國(guó)際范圍中各種產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。在產(chǎn)品技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程中，直接轉(zhuǎn)矩控制成為了競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。在全面展示和挖掘DTC控制前提下，被廣泛宣傳的DTC技術(shù)特點(diǎn)就是其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度高于VC，速度在1到3ms之間，所以能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)速度傳感器的調(diào)速控制，在速度為零時(shí)，達(dá)到滿負(fù)荷輸出的狀態(tài)。

1 對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的分析

通過(guò)使用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制下的交流調(diào)速系統(tǒng)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度要明顯高于矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)大概在1ms左右。矢量控制系統(tǒng)中，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)在6到7ms之間。對(duì)于DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)為什么比矢量控制更快，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于DTC這種控制系統(tǒng)，實(shí)際的定子轉(zhuǎn)矩都是由相應(yīng)的電機(jī)電壓以及實(shí)際電流來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，為了達(dá)到相應(yīng)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(méi)有包含相應(yīng)的電流控制環(huán)路，因此相關(guān)人員對(duì)于控制系統(tǒng)的關(guān)注，不能放在電壓上，而需要放在電流方面，把實(shí)際的交流電流依據(jù)磁場(chǎng)的相應(yīng)坐標(biāo)軸，劃分成轉(zhuǎn)矩分量以及相應(yīng)的磁場(chǎng)分量，給予針對(duì)性的控制。要把關(guān)注點(diǎn)放到控制電流上，對(duì)于交流電機(jī)，如果想要加快轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，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(duì)于矢量控制系統(tǒng)來(lái)世，有電流調(diào)節(jié)器來(lái)控制輸出電壓，所以對(duì)于電流的調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生一定的滯后。但是，當(dāng)前的適量控制系統(tǒng)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)和控制電流以及前饋電壓來(lái)產(chǎn)生輸出電壓，通過(guò)前饋電壓控制可以提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而且可以通過(guò)精確計(jì)算模型來(lái)控制電壓輸出，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖現(xiàn)象，而且電流處于受控范圍中。DTC因?yàn)槿狈﹄娏骺刂骗h(huán)路，所以電壓能夠產(chǎn)生過(guò)沖現(xiàn)象，所以電機(jī)的加速電流比較高，自然而然就能獲得較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)以及電流響應(yīng)。

DTC變頻器實(shí)際上具有極強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，這是無(wú)可爭(zhēng)議的。我國(guó)著名的清華大學(xué)對(duì)電機(jī)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果也肯定的證實(shí)了相應(yīng)的結(jié)論。如果真的對(duì)于轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的要求非常之高，比如交流伺服傳動(dòng)的情況或者機(jī)車牽引的情況，就可以應(yīng)用DTC技術(shù)。如果相應(yīng)的場(chǎng)合對(duì)于轉(zhuǎn)矩響應(yīng)只有比較低的要求，尤其是具有齒輪連接的傳動(dòng)情況，如果轉(zhuǎn)矩響應(yīng)太快，不僅無(wú)法帶來(lái)好處，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)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(zhuǎn)矩響應(yīng)，但是因?yàn)檫@種變頻器的開(kāi)關(guān)頻率并不確定，所以會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的變化，通過(guò)分析可以得出DTC變頻器的幾個(gè)主要問(wèn)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(duì)較低。第三，變頻器的輸出電壓相對(duì)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(kāi)關(guān)頻率的前提下，應(yīng)用消除諧波的PWM控制。

所以客觀地說(shuō)，和VC這種形式相比較，DTC控制變頻器的實(shí)際穩(wěn)態(tài)指標(biāo)十分的差，因此，如果相應(yīng)的通用變頻器對(duì)于良好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)沒(méi)有一定的要求，簡(jiǎn)單舉幾個(gè)例子：風(fēng)機(jī)的節(jié)能傳動(dòng)情況、水泵的節(jié)能傳動(dòng)情況以及工業(yè)上的機(jī)械傳動(dòng)情況，對(duì)于這些實(shí)際情況來(lái)講，實(shí)際的效率、容量利用率以及實(shí)際的變頻器諧波都是極為重要的。VC這種模式應(yīng)用意義比較高，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

對(duì)于那些大中型的傳動(dòng)設(shè)備，如果相關(guān)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(guān)注變頻器的實(shí)際效率以及具體容量指標(biāo)。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(shí)際IGCT高壓三電平變頻器技術(shù)的真實(shí)數(shù)據(jù)。

3 無(wú)速度傳感器的控制

在個(gè)別的產(chǎn)品銷售宣傳中，宣稱DTC技術(shù)的特點(diǎn)是，無(wú)速度傳感器控制DTC變頻器，在零速狀態(tài)達(dá)到滿負(fù)荷輸出，這種說(shuō)法是不正確的。VC和DTC采用相同的交流電機(jī)設(shè)計(jì)模型，但是DTC并沒(méi)有無(wú)速度傳感器控制得相關(guān)專利技術(shù)內(nèi)容。對(duì)于無(wú)速度傳感器控制來(lái)說(shuō)，屬于VC控制以及DTC控制中的相同研究題目?jī)?nèi)容。比如，魯爾大學(xué)的相關(guān)教授就曾在我國(guó)講學(xué)中強(qiáng)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(jìn)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(jī)模型來(lái)得出了轉(zhuǎn)子磁鏈，并且使用轉(zhuǎn)子磁鏈控制實(shí)現(xiàn)對(duì)于DTC低速性能的補(bǔ)償。對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在低速時(shí)使用ISR，速度提升之后才進(jìn)入到DTC狀態(tài)，所以說(shuō)，是利用VC來(lái)實(shí)現(xiàn)DTC的低速控制的。

對(duì)于無(wú)速度傳感器來(lái)說(shuō)，屬于交流電機(jī)調(diào)速控制研究中的重要內(nèi)容，也屬于我國(guó)相關(guān)學(xué)術(shù)界以及變頻器生產(chǎn)制造中的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。我國(guó)各個(gè)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(guó)對(duì)于無(wú)速度傳感器的實(shí)踐應(yīng)用和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的水平相差較大。我國(guó)的許多變頻器的水平都是在V/F控制階段，但是國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把無(wú)速度傳感器控制做成了量產(chǎn)的產(chǎn)品。日本電器學(xué)會(huì)在2000年曾經(jīng)調(diào)查了各個(gè)大型的電氣企業(yè)的通用變頻器所使用的無(wú)速度傳感器。相關(guān)的無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)主要分成四種形式：第一，角速度計(jì)算方式。第二，MRAS模型參考自適應(yīng)法。第三，感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算法。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在討論VC技術(shù)以及DTC技術(shù)的過(guò)程中，需要充分排除市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的商業(yè)因素，并且認(rèn)清相關(guān)技術(shù)的真實(shí)面目，加強(qiáng)對(duì)于VC以及DTC的實(shí)踐和理論探究，在對(duì)比VC以及DTC技術(shù)的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)過(guò)程中，不僅需要明確適用的場(chǎng)合，還需要明確VC技術(shù)以及DTC技術(shù)探索中的問(wèn)題，努力發(fā)展我國(guó)自主研發(fā)的交流電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)，為后續(xù)的交流調(diào)速技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；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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