交流電機變頻調速控制系統(tǒng)的探討

摘要： 　　本文對目前交流電機變頻調速控制系統(tǒng)流行的矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，并對兩者轉矩響應，穩(wěn)態(tài)特性，及無速度傳感器控制進行了比較與探討。 關鍵詞： 　　矢量控制，直接轉矩控制，轉矩響應，穩(wěn)態(tài)特性，無速度傳感器控制 1．前言 　　自1971年德國西門子公司F.Blaschke發(fā)明了基于交流電機坐標交換的交流電機矢量控制（以下簡稱VC）原理以來，交流電機矢量控制得到了廣泛地應用。經過30年的產品開發(fā)和工程實踐，矢量控制原理日趨完善，大大小小的交流電機變頻調速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制，使交流電機調速達到并超過傳統(tǒng)的直流電機調速性能。 1985年德國魯爾大學M.Depenbrock教授提出了不同于坐標變換矢量控制的另外一種交流電機調速控制原理——直接轉矩控制（以下簡稱DTC），魯爾大學的教授曾多次在國際學術會議并到中國來介紹DTC技術，引起了學術界極大的興趣和關注。DTC原理具有不同于VC的鮮明特點： ·不需要旋轉坐標變換，有靜止坐標系上控制轉矩和磁鏈 ·采用砰-砰控制 ·DTC與脈寬調制PWM技術并用 ·轉矩響應快 ·應用于GTO電壓型變頻器的機車牽引傳動 　　DTC的出現(xiàn)引起交流電機控制理論的研究熱潮，國內不少高校對DTC技術及系統(tǒng)進行深入研究，不少文章提出一些有益的改進方法，對DTC理論與實踐作出貢獻。但應該指出，DTC引入中國的初期，人們的視角多集中在DTC的不用旋轉變換和砰-砰控制上。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，VC的旋轉坐標變換的技術實現(xiàn)已不成為問題，而由于DTC技術應用實例局限于GTO電壓型變頻器的機車牽引傳動，使得國內學術界和變頻器制造商沒有條件對實用的DTC技術以及DTC變頻器的靜態(tài)和動態(tài)特性進行深入研究。 　　1995年瑞士ABB公司第一次將DTC技術應用到通用變頻器上，推出采用DTC技術的IGBT脈寬調制變頻器ACS600，隨后又將DTC技術應用于IGCT三電平高壓變頻器ACS1000，近期推出的用于大型軋鋼，船舶推進的IGCT變頻器ACS6000也采用了DTC直接轉矩控制技術。 隨著中國經濟的飛速發(fā)展，交流調速技術得到了廣泛的應用，通用變頻器年銷售額已超過50億。國家“十五”期間，許多大型項目需要交流調速傳動，例如，西氣東輸的大型壓縮機傳動，大型船舶電力推進，大型熱軋和冷軋機交流傳動，高速鐵路牽引傳動，以及風機水泵高壓變頻節(jié)能傳動等等。 　　隨著市場容量的擴大，國際各公司產品的競爭愈加激烈，直接轉矩控制成為產品技術競爭的一個亮點。在充分挖掘和展示了DTC技術優(yōu)點的基礎上，市場宣傳主要是DTC轉矩響應比VC快，可以達到1~3ms，可以實現(xiàn)無速度傳感器調速控制，在零速時滿負荷輸出。同時，個別產品推銷員在市場宣傳中提出DTC直接轉矩控制是交流電機控制技術的革命，是取代矢量控制的新一代控制技術等等。而同時，采用矢量控制技術的產品廠家回應DTC在市場上宣傳DTC技術的缺點，主要是質疑DTC無速度傳感器零速控制；DTC變頻器諧波大，效率低；需要輸出濾波器等等。一時間在中國的用戶，變頻器制造廠，以及國家重大項目決策中造成了混亂，市場競爭演變?yōu)镈TC與VC的技術之爭。 　　市場競爭現(xiàn)狀給學術界提出了新的課題，作為科技工作者應拋開商業(yè)因素，重新認識DTC與VC技術，慎重地評價DTC與VC的優(yōu)缺點與應用場合。為此北京電力電子學會，IEEE電力電子北京分會，組織國內電力電子及電氣傳動的有關專家對DTC和VC技術進行了充分研討，清華大學電機系對分別采用DTC和VC技術的產品進行了測試和性能比較。相信此舉會給國內用戶和項目決策者一個客觀正確的技術背景，同時，也借此促進我國交流電機控制理論與技術的進一步發(fā)展。 　　根據國內外資料以及同部份專家的研討，本文對DTC和VC控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及實用化技術提出一些粗淺的看法。 2．轉矩響應 　　采用DTC直接轉矩控制的交流調速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉矩響應，圖（1）a為矢量控制系統(tǒng)的轉矩階躍響應，大約為6~7ms，而圖（1）b直接轉矩控制系統(tǒng)的轉矩階躍響應可以達到1ms左右。 　　DTC為什么具有比矢量控制快的轉矩響應呢？眾所周知，DTC控制系統(tǒng)由電機的電壓和電流計算出定子磁鏈和轉矩，采用砰-砰控制來實現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC控制系統(tǒng)沒有電流控制環(huán)路，因此，DTC控制系統(tǒng)的著眼點是電壓，而不是電流。而矢量控制的原理是基于交流電機的電流控制，把交流電流按磁場坐標軸分解為轉矩分量和磁場分量，分別加以控制，故矢量控制的著眼點是電流控制。對于交流電機來講，要想獲得快速的轉矩響應，在磁鏈不變的條件下，就要求電流的快速變化，而電流的變化是由電壓的快速變化引起的。矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調節(jié)器的輸出產生的，這就存在電流調節(jié)的時間滯后。當然，現(xiàn)代的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓可以是由電機模型計算的前饋電壓控制和電流調節(jié)共同產生，前饋電壓控制可以獲得較快的動態(tài)響應，但這個電壓輸出是由模型精確計算的，沒有任何過沖現(xiàn)象，且電流是始終受控的。而DTC由于沒有電流控制環(huán)路，砰-砰控制產生的輸出電壓，沒有任何電流限制，電壓可以出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，故電機可以獲得較大的du/dt, 較大的加速電流，因而產生較快的電流響應及轉矩響應就不言而喻了。德國魯爾大學教授前些年來華講學，曾明確指出，正是DTC的這種電壓控制特性使其轉矩響應比VC快3~4倍。 　　但DTC這種快速的轉矩響應是有條件的，如果在額定電壓條件下，特別是弱磁運行區(qū)，電壓將沒有過沖的余度空間。此外，大型的交流傳動必須對電機電流加以限制，這樣DTC的轉矩響應就不會達到1~2ms那么高的指標水平。 　　DTC的轉矩響應還取決于PWM的開關頻率，即砰-砰控制的頻率。對于采用GTO或IGCT元件的大型PWM變頻器來講，高的開關頻率將導致變頻器的損耗加大，效率降低，故變頻器的脈寬調制開關頻率不能太高。砰-砰控制頻率的降低會影響DTC的轉矩響應指標。 由于DTC砰-砰控制使其輸出電壓有較大的du/dt，故DTC變頻器輸出都加裝濾波器，以減少du/dt對電機絕緣的影響，而濾波器增加了線路電感，在減少了du/dt同時，也降低了轉矩響應。 　　盡管如此，DTC變頻器可以獲得較好的轉矩響應是一個不爭的事實。清華大學電機的試驗報告也證明了這一點。對于那些對轉矩響應要求高的場合。例如交流伺服傳動，機車牽引等較適于采用DTC技術。而一些對轉矩響應要求不苛刻，特別是帶有齒輪連接的傳動，過快的轉矩響應不僅不利反而有害。 3．變頻器的穩(wěn)態(tài)特性 　　DTC變頻器采用砰-砰控制帶來較好的轉矩響應，同時由于其開關頻率是不確定，隨機變化的，使DTC變頻器存在以下問題 ·無法象矢量控制那樣，在確定的開關頻率條件下，采用消除諧波的PWM控制方法 ·變頻器輸出電壓，電流的諧波較大 ·變頻器輸出電壓偏低 ·變頻器效率略低 ·在相同電力電子元器件條件下，變頻器輸出容量略小 　　也就是說，DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標要比VC差，這在清華大學的試驗報告中也有證明。這對于那些不要求較高動態(tài)性能指標的通用變頻器，例如風機、水泵節(jié)能傳動，一般工業(yè)機械傳動，變頻器的效率，容量利用率，諧波就顯得更為重要，在這些應用場合VC顯然要優(yōu)于DTC。 　　對于大型傳動設備，例如采用IGCT元件的三電平高壓變頻器，變頻器的效率，容量指標亦十分重要。表（1）列出了采用VC和DTC兩種不同控制方式的IGCT三電平高壓變頻器的技術數據。 4．無速度傳感器控制 　　在某些產品的市場宣傳中，把DTC變頻器無速度傳感器控制，在零速時滿負荷輸出作為DTC技術的專有特點，顯然是不對的。DTC與VC采用同樣的交流電機數學模型，無速度傳感器控制不是DTC發(fā)明專利中的內容。無速度傳感器控制是DTC和VC控制系統(tǒng)共同的研究課題。魯爾大學教授來華講學時強調DTC變頻器低速控制性能不好，為了改善其低速性能，采用一種間接控制方法ISR，其原理是用電壓和電流依靠電機模型計算出轉子磁鏈，用轉子磁鏈控制來補償DTC的低速性能。控制系統(tǒng)低速時用ISR，高速才過渡到DTC，由此可見，DTC的低速特性改善是借助于VC來實現(xiàn)的。 　　無速度傳感器控制是交流電機調速控制的重要課題，也是目前國內外學術界及變頻器制造廠的研究熱點。應該指出國內各高校在這一領域投入精力很多，發(fā)表不少文章，但無速度傳感器控制的實用化還與國外產品差距很大。國產變頻器大多還處在V/F控制水平，而國外早已實現(xiàn)了無速度傳感器控制的產品化。 　　日本電氣學會在2000年曾對日本各大電氣公司通用變頻器的無速度傳感器控制進行了調查，其無速度傳感器控制系統(tǒng)大體分為四種方式 ·定子電流轉矩分量 控制誤差補償法 ·感應電勢計算法 ·模型參考自適應MRAS法 · 角速度計算法 　　圖（2）給出通用變頻器基本控制結構框圖，對于交直交電壓型變頻器控制系統(tǒng)包括速度調節(jié)器，速度辨識和正向通道控制。圖（3）（4）（5）（6）列出無速度傳感器控制的四個控制方式的結構框圖，表（2）列出各公司變頻器采用無速度傳感器控制和正向通道控制的類型。由于本文意在討論DTC~VC控制系統(tǒng)，無速度傳感器控制只對其實用化和產品化拋磚引玉，故只列出圖與表，不作分析討論，僅供參考。 5.結論 　　通過對DTC與VC技術的討論，我們應排除市場競爭造成的商業(yè)宣傳因素，還其技術的本來面目，重新認識DTC與VC的理論和實踐，在比較DTC與VC的優(yōu)缺點并明確其適用場合的同時，也認清DTC與VC技術待攻克的課題，積極發(fā)展我國