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交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的探討
冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院 李崇堅(jiān) 2005/12/18
本文對目前交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)流行的矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，并對兩者轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)特性，及無速度傳感器控制進(jìn)行了比較與探討。
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(jī)坐標(biāo)交換的交流電機(jī)矢量控制（以下簡稱VC）原理以來，交流電機(jī)矢量控制得到了廣泛地應(yīng)用。經(jīng)過30年的產(chǎn)品開發(fā)和工程實(shí)踐，矢量控制原理日趨完善，大大小小的交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制，使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。
1985年德國魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授提出了不同于坐標(biāo)變換矢量控制的另外一種交流電機(jī)調(diào)速控制原理——直接轉(zhuǎn)矩控制（以下簡稱DTC），魯爾大學(xué)的教授曾多次在國際學(xué)術(shù)會議并到中國來介紹DTC技術(shù)，引起了學(xué)術(shù)界極大的興趣和關(guān)注。DTC原理具有不同于VC的鮮明特點(diǎn)：
•不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，有靜止坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈
•采用砰-砰控制
•DTC與脈寬調(diào)制PWM技術(shù)并用
•轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快
•應(yīng)用于GTO電壓型變頻器的機(jī)車牽引傳動(dòng)
DTC的出現(xiàn)引起交流電機(jī)控制理論的研究熱潮，國內(nèi)不少高校對DTC技術(shù)及系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，不少文章提出一些有益的改進(jìn)方法，對DTC理論與實(shí)踐作出貢獻(xiàn)。但應(yīng)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(zhuǎn)變換和砰-砰控制上。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，VC的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的技術(shù)實(shí)現(xiàn)已不成為問題，而由于DTC技術(shù)應(yīng)用實(shí)例局限于GTO電壓型變頻器的機(jī)車牽引傳動(dòng)，使得國內(nèi)學(xué)術(shù)界和變頻器制造商沒有條件對實(shí)用的DTC技術(shù)以及DTC變頻器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入研究。
1995年瑞士ABB公司第一次將DTC技術(shù)應(yīng)用到通用變頻器上，推出采用DTC技術(shù)的IGBT脈寬調(diào)制變頻器ACS600，隨后又將DTC技術(shù)應(yīng)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(jìn)的IGCT變頻器ACS6000也采用了DTC直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。
隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)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(xiàng)目需要交流調(diào)速傳動(dòng)，例如，西氣東輸?shù)拇笮蛪嚎s機(jī)傳動(dòng)，大型船舶電力推進(jìn)，大型熱軋和冷軋機(jī)交流傳動(dòng)，高速鐵路牽引傳動(dòng)，以及風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻節(jié)能傳動(dòng)等等。
隨著市場容量的擴(kuò)大，國際各公司產(chǎn)品的競爭愈加激烈，直接轉(zhuǎn)矩控制成為產(chǎn)品技術(shù)競爭的一個(gè)亮點(diǎn)。在充分挖掘和展示了DTC技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，市場宣傳主要是DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快，可以達(dá)到1~3ms，可以實(shí)現(xiàn)無速度傳感器調(diào)速控制，在零速時(shí)滿負(fù)荷輸出。同時(shí)，個(gè)別產(chǎn)品推銷員在市場宣傳中提出DTC直接轉(zhuǎn)矩控制是交流電機(jī)控制技術(shù)的革命，是取代矢量控制的新一代控制技術(shù)等等。而同時(shí)，采用矢量控制技術(shù)的產(chǎn)品廠家回應(yīng)DTC在市場上宣傳DTC技術(shù)的缺點(diǎn)，主要是質(zhì)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(shí)間在中國的用戶，變頻器制造廠，以及國家重大項(xiàng)目決策中造成了混亂，市場競爭演變?yōu)镈TC與VC的技術(shù)之爭。
市場競爭現(xiàn)狀給學(xué)術(shù)界提出了新的課題，作為科技工作者應(yīng)拋開商業(yè)因素，重新認(rèn)識DTC與VC技術(shù)，慎重地評價(jià)DTC與VC的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用場合。為此北京電力電子學(xué)會，IEEE電力電子北京分會，組織國內(nèi)電力電子及電氣傳動(dòng)的有關(guān)專家對DTC和VC技術(shù)進(jìn)行了充分研討，清華大學(xué)電機(jī)系對分別采用DTC和VC技術(shù)的產(chǎn)品進(jìn)行了測試和性能比較。相信此舉會給國內(nèi)用戶和項(xiàng)目決策者一個(gè)客觀正確的技術(shù)背景，同時(shí)，也借此促進(jìn)我國交流電機(jī)控制理論與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
根據(jù)國內(nèi)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(shí)用化技術(shù)提出一些粗淺的看法。
2、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)
采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，圖（1）a為矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，大約為6~7ms，而圖（1）b直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達(dá)到1ms左右。
DTC為什么具有比矢量控制快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)呢？眾所周知，DTC控制系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰-砰控制來實(shí)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(diǎn)是電壓，而不是電流。而矢量控制的原（未完，下一頁）
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