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浅析交流电机变频调速控制系统 [复制链接]

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蜗牛工作室 发表于 2012-4-7 13:39:27 |显示全部楼层
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.前言转载于
  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
  ·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,积极发展我国自主的交流电机调速控制技术,为交流调速技术的理论发展和工程实用技术的推广作出贡献。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f =恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是,可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置,要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的,但人们发现,即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置,也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量,并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数,按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流(或者磁通)和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致,并输出转矩,从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配,而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数,有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数,有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器,并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制,否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数,从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等,可提高异步电动机转矩控制性能的技术外,目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等,以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速,应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整(AVR)控制技术的控制方式,已实用化并取得良好的效果。直接转矩控制也称之为“直接自控制”,这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同,直接转矩控制不采用解耦的方式,从而在算法上不存在旋转坐标变换,简单地通过检测电机定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩,并根据与给定值比较所得差值,实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术,是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法,直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩,采用离散的两点式调节器(Band—Band控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小由频率调节器来控制,并产生PWM脉宽调制信号,直接对逆变器的开关状态进行控制,以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化,即不需要模仿直流电动机的控制,由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。与矢量控制方式比较,直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链,它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链,观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量,对转矩的直接控制或直接控制转矩,既直接又简化。
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