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交流电机变频调速控制系统的探讨

供稿:中国工控网 2004/3/9 10:43:00

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摘要:
  本文对目前交流电机变频调速控制系统流行的矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)的发展历史与现状,并对两者转矩响应,稳态特性,及无速度传感器控制进行了比较与探讨。

关键词:
  矢量控制,直接转矩控制,转矩响应,稳态特性,无速度传感器控制



1.前言
  自1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制(以下简称VC)原理以来,交流电机矢量控制得到了广泛地应用。经过30年的产品开发和工程实践,矢量控制原理日趋完善,大大小小的交流电机变频调速控制系统大多采用矢量控制,使交流电机调速达到并超过传统的直流电机调速性能。
1985年德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提出了不同于坐标变换矢量控制的另外一种交流电机调速控制原理——直接转矩控制(以下简称DTC),鲁尔大学的教授曾多次在国际学术会议并到中国来介绍DTC技术,引起了学术界极大的兴趣和关注。DTC原理具有不同于VC的鲜明特点:
·不需要旋转坐标变换,有静止坐标系上控制转矩和磁链
·采用砰-砰控制
·DTC与脉宽调制PWM技术并用
·转矩响应快
·应用于GTO电压型变频器的机车牵引传动
  DTC的出现引起交流电机控制理论的研究热潮,国内不少高校对DTC技术及系统进行深入研究,不少文章提出一些有益的改进方法,对DTC理论与实践作出贡献。但应该指出,DTC引入中国的初期,人们的视角多集中在DTC的不用旋转变换和砰-砰控制上。随着计算机技术的飞速发展,VC的旋转坐标变换的技术实现已不成为问题,而由于DTC技术应用实例局限于GTO电压型变频器的机车牵引传动,使得国内学术界和变频器制造商没有条件对实用的DTC技术以及DTC变频器的静态和动态特性进行深入研究。
  1995年瑞士ABB公司第一次将DTC技术应用到通用变频器上,推出采用DTC技术的IGBT脉宽调制变频器ACS600,随后又将DTC技术应用于IGCT三电平高压变频器ACS1000,近期推出的用于大型轧钢,船舶推进的IGCT变频器ACS6000也采用了DTC直接转矩控制技术。
随着中国经济的飞速发展,交流调速技术得到了广泛的应用,通用变频器年销售额已超过50亿。国家“十五”期间,许多大型项目需要交流调速传动,例如,西气东输的大型压缩机传动,大型船舶电力推进,大型热轧和冷轧机交流传动,高速铁路牵引传动,以及风机水泵高压变频节能传动等等。
  随着市场容量的扩大,国际各公司产品的竞争愈加激烈,直接转矩控制成为产品技术竞争的一个亮点。在充分挖掘和展示了DTC技术优点的基础上,市场宣传主要是DTC转矩响应比VC快,可以达到1~3ms,可以实现无速度传感器调速控制,在零速时满负荷输出。同时,个别产品推销员在市场宣传中提出DTC直接转矩控制是交流电机控制技术的革命,是取代矢量控制的新一代控制技术等等。而同时,采用矢量控制技术的产品厂家回应DTC在市场上宣传DTC技术的缺点,主要是质疑DTC无速度传感器零速控制;DTC变频器谐波大,效率低;需要输出滤波器等等。一时间在中国的用户,变频器制造厂,以及国家重大项目决策中造成了混乱,市场竞争演变为DTC与VC的技术之争。
  市场竞争现状给学术界提出了新的课题,作为科技工作者应抛开商业因素,重新认识DTC与VC技术,慎重地评价DTC与VC的优缺点与应用场合。为此北京电力电子学会,IEEE电力电子北京分会,组织国内电力电子及电气传动的有关专家对DTC和VC技术进行了充分研讨,清华大学电机系对分别采用DTC和VC技术的产品进行了测试和性能比较。相信此举会给国内用户和项目决策者一个客观正确的技术背景,同时,也借此促进我国交流电机控制理论与技术的进一步发展。
  根据国内外资料以及同部份专家的研讨,本文对DTC和VC控制系统的现状及实用化技术提出一些粗浅的看法。

2.转矩响应
  采用DTC直接转矩控制的交流调速系统可以获得比矢量控制要快的多的转矩响应,图(1)a为矢量控制系统的转矩阶跃响应,大约为6~7ms,而图(1)b直接转矩控制系统的转矩阶跃响应可以达到1ms左右。



  DTC为什么具有比矢量控制快的转矩响应呢?众所周知,DTC控制系统由电机的电压和电流计算出定子磁链和转矩,采用砰-砰控制来实现变频器的PWM控制,DTC控制系统没有电流控制环路,因此,DTC控制系统的着眼点是电压,而不是电流。而矢量控制的原理是基于交流电机的电流控制,把交流电流按磁场坐标轴分解为转矩分量和磁场分量,分别加以控制,故矢量控制的着眼点是电流控制。对于交流电机来讲,要想获得快速的转矩响应,在磁链不变的条件下,就要求电流的快速变化,而电流的变化是由电压的快速变化引起的。矢量控制系统的输出电压是由电流调节器的输出产生的,这就存在电流调节的时间滞后。当然,现代的矢量控制系统输出电压可以是由电机模型计算的前馈电压控制和电流调节共同产生,前馈电压控制可以获得较快的动态响应,但这个电压输出是由模型精确计算的,没有任何过冲现象,且电流是始终受控的。而DTC由于没有电流控制环路,砰-砰控制产生的输出电压,没有任何电流限制,电压可以出现过冲现象,故电机可以获得较大的du/dt, 较大的加速电流,因而产生较快的电流响应及转矩响应就不言而喻了。德国鲁尔大学教授前些年来华讲学,曾明确指出,正是DTC的这种电压控制特性使其转矩响应比VC快3~4倍。
  但DTC这种快速的转矩响应是有条件的,如果在额定电压条件下,特别是弱磁运行区,电压将没有过冲的余度空间。此外,大型的交流传动必须对电机电流加以限制,这样DTC的转矩响应就不会达到1~2ms那么高的指标水平。
  DTC的转矩响应还取决于PWM的开关频率,即砰-砰控制的频率。对于采用GTO或IGCT元件的大型PWM变频器来讲,高的开关频率将导致变频器的损耗加大,效率降低,故变频器的脉宽调制开关频率不能太高。砰-砰控制频率的降低会影响DTC的转矩响应指标。
由于DTC砰-砰控制使其输出电压有较大的du/dt,故DTC变频器输出都加装滤波器,以减少du/dt对电机绝缘的影响,而滤波器增加了线路电感,在减少了du/dt同时,也降低了转矩响应。
  尽管如此,DTC变频器可以获得较好的转矩响应是一个不争的事实。清华大学电机的试验报告也证明了这一点。对于那些对转矩响应要求高的场合。例如交流伺服传动,机车牵引等较适于采用DTC技术。而一些对转矩响应要求不苛刻,特别是带有齿轮连接的传动,过快的转矩响应不仅不利反而有害。

3.变频器的稳态特性
  DTC变频器采用砰-砰控制带来较好的转矩响应,同时由于其开关频率是不确定,随机变化的,使DTC变频器存在以下问题
·无法象矢量控制那样,在确定的开关频率条件下,采用消除谐波的PWM控制方法
·变频器输出电压,电流的谐波较大
·变频器输出电压偏低
·变频器效率略低
·在相同电力电子元器件条件下,变频器输出容量略小
  也就是说,DTC控制变频器的稳态指标要比VC差,这在清华大学的试验报告中也有证明。这对于那些不要求较高动态性能指标的通用变频器,例如风机、水泵节能传动,一般工业机械传动,变频器的效率,容量利用率,谐波就显得更为重要,在这些应用场合VC显然要优于DTC。
  对于大型传动设备,例如采用IGCT元件的三电平高压变频器,变频器的效率,容量指标亦十分重要。表(1)列出了采用VC和DTC两种不同控制方式的IGCT三电平高压变频器的技术数据。



4.无速度传感器控制
  在某些产品的市场宣传中,把DTC变频器无速度传感器控制,在零速时满负荷输出作为DTC技术的专有特点,显然是不对的。DTC与VC采用同样的交流电机数学模型,无速度传感器控制不是DTC发明专利中的内容。无速度传感器控制是DTC和VC控制系统共同的研究课题。鲁尔大学教授来华讲学时强调DTC变频器低速控制性能不好,为了改善其低速性能,采用一种间接控制方法ISR,其原理是用电压和电流依靠电机模型计算出转子磁链,用转子磁链控制来补偿DTC的低速性能。控制系统低速时用ISR,高速才过渡到DTC,由此可见,DTC的低速特性改善是借助于VC来实现的。
  无速度传感器控制是交流电机调速控制的重要课题,也是目前国内外学术界及变频器制造厂的研究热点。应该指出国内各高校在这一领域投入精力很多,发表不少文章,但无速度传感器控制的实用化还与国外产品差距很大。国产变频器大多还处在V/F控制水平,而国外早已实现了无速度传感器控制的产品化。
  日本电气学会在2000年曾对日本各大电气公司通用变频器的无速度传感器控制进行了调查,其无速度传感器控制系统大体分为四种方式
·定子电流转矩分量 控制误差补偿法
·感应电势计算法
·模型参考自适应MRAS法
· 角速度计算法
  图(2)给出通用变频器基本控制结构框图,对于交直交电压型变频器控制系统包括速度调节器,速度辨识和正向通道控制。图(3)(4)(5)(6)列出无速度传感器控制的四个控制方式的结构框图,表(2)列出各公司变频器采用无速度传感器控制和正向通道控制的类型。由于本文意在讨论DTC~VC控制系统,无速度传感器控制只对其实用化和产品化抛砖引玉,故只列出图与表,不作分析讨论,仅供参考。





5.结论
  通过对DTC与VC技术的讨论,我们应排除市场竞争造成的商业宣传因素,还其技术的本来面目,重新认识DTC与VC的理论和实践,在比较DTC与VC的优缺点并明确其适用场合的同时,也认清DTC与VC技术待攻克的课题,积极发展我国

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