|
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
（接上頁(yè)）理是基于交流電機(jī)的電流控制，把交流電流按磁場(chǎng)坐標(biāo)軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量，分別加以控制，故矢量控制的著眼點(diǎn)是電流控制。對(duì)于交流電機(jī)來(lái)講，要想獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，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(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的，這就存在電流調(diào)節(jié)的時(shí)間滯后。當(dāng)然，現(xiàn)代的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓可以是由電機(jī)模型計(jì)算的前饋電壓控制和電流調(diào)節(jié)共同產(chǎn)生，前饋電壓控制可以獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但這個(gè)電壓輸出是由模型精確計(jì)算的，沒(méi)有任何過(guò)沖現(xiàn)象，且電流是始終受控的。而DTC由于沒(méi)有電流控制環(huán)路，砰-砰控制產(chǎn)生的輸出電壓，沒(méi)有任何電流限制，電壓可以出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，故電機(jī)可以獲得較大的du/dt, 較大的加速電流，因而產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不言而喻了。德國(guó)魯爾大學(xué)教授前些年來(lái)華講學(xué)，曾明確指出，正是DTC的這種電壓控制特性使其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快3~4倍。
但DTC這種快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是有條件的，如果在額定電壓條件下，特別是弱磁運(yùn)行區(qū)，電壓將沒(méi)有過(guò)沖的余度空間。此外，大型的交流傳動(dòng)必須對(duì)電機(jī)電流加以限制，這樣DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不會(huì)達(dá)到1~2ms那么高的指標(biāo)水平。
DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)還取決于PWM的開(kāi)關(guān)頻率，即砰-砰控制的頻率。對(duì)于采用GTO或IGCT元件的大型PWM變頻器來(lái)講，高的開(kāi)關(guān)頻率將導(dǎo)致變頻器的損耗加大，效率降低，故變頻器的脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率不能太高。砰-砰控制頻率的降低會(huì)影響DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)指標(biāo)。
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(duì)電機(jī)絕緣的影響，而濾波器增加了線路電感，在減少了du/dt同時(shí)，也降低了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。
盡管如此，DTC變頻器可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。清華大學(xué)電機(jī)的試驗(yàn)報(bào)告也證明了這一點(diǎn)。對(duì)于那些對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。例如交流伺服傳動(dòng)，機(jī)車牽引等較適于采用DTC技術(shù)。而一些對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求不苛刻，特別是帶有齒輪連接的傳動(dòng)，過(guò)快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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(lái)較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，同時(shí)由于其開(kāi)關(guān)頻率是不確定，隨機(jī)變化的，使DTC變頻器存在以下問(wèn)題
•無(wú)法象矢量控制那樣，在確定的開(kāi)關(guān)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(shuō)，DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差，這在清華大學(xué)的試驗(yàn)報(bào)告中也有證明。這對(duì)于那些不要求較高動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的通用變頻器，例如風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能傳動(dòng)，一般工業(yè)機(jī)械傳動(dòng)，變頻器的效率，容量利用率，諧波就顯得更為重要，在這些應(yīng)用場(chǎng)合VC顯然要優(yōu)于DTC。
對(duì)于大型傳動(dòng)設(shè)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(biāo)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(shù)數(shù)據(jù)。
4、無(wú)速度傳感器控制
在某些產(chǎn)品的市場(chǎng)宣傳中，把DTC變頻器無(wú)速度傳感器控制，在零速時(shí)滿負(fù)荷輸出作為DTC技術(shù)的專有特點(diǎn)，顯然是不對(duì)的。DTC與VC采用同樣的交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，無(wú)速度傳感器控制不是DTC發(fā)明專利中的內(nèi)容。無(wú)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(xué)教授來(lái)華講學(xué)時(shí)強(qiáng)調(diào)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(jī)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈，用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來(lái)補(bǔ)償DTC的低速性能�？刂葡到y(tǒng)低速時(shí)用ISR，高速才過(guò)渡到DTC，由此可見(jiàn)，DTC的低速特性改善是借助于VC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
無(wú)速度傳感器控制是交流電機(jī)調(diào)速控制的重要課題，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及變頻器制造廠的研究熱點(diǎn)。應(yīng)該指出國(guó)內(nèi)各高校在這一領(lǐng)域投入精力很多，發(fā)表不少文章，但無(wú)速度傳感器控制的實(shí)用化還與國(guó)外產(chǎn)品差距很大。國(guó)產(chǎn)變頻器大多還處在V/F控制水平，而國(guó)外早已實(shí)現(xiàn)了無(wú)速度傳感器控制的產(chǎn)品化。
日本電氣學(xué)會(huì)在2000年曾對(duì)日本各大電氣公司通用變頻器的無(wú)速度傳感器控制進(jìn)行了調(diào)查，其無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)大體分為四種方式
•定子電流轉(zhuǎn)矩分量 控制誤差補(bǔ)償法
•感應(yīng)（未完，下一頁(yè)）
|