通用变频器矢量控制与直接转矩控制特性比较1.doc

通用变频器矢量控制与直接转矩控制特性试验比较 赵争鸣赵争鸣 袁立强袁立强 张海涛张海涛 白华白华 孟朔孟朔 清华大学电机工程与应用电子技术系 100084 摘要 矢量控制与直接转矩控制作为当前两种主要的交流电机变频调速传动控制方法 在实际中得到广泛的应用 本文是以矢量控制与直接转矩控制策略比较为核心 在对两者 进行了理论分析的基础上 在变频器 异步电机试验平台上进行了试验对比 给出两种控 制策略下异步电机电磁转矩稳态和动态响应性能试验结果 关键词 矢量控制 直接转矩控制 动态响应 纹波系数 The comparison experiments of General inverters based on Vector Control and Direct Torque Control Zhao Zhengming Yuan Liqiang Zhang Haitao Bai Hua Meng shuo The Department of Electrical Engineering Tsinghua Univ 100084 Abstract Vector Control and Direct Torque Control are widely used in the adjustable speed drive systems Based on the theoretical analysis of both strategies they are compared in an advanced inverter feed induction motor experiment platform in this paper The results for steady state and dynamic response performance are given Keywords Vector Control Direct Torque Control Dynamic response Ripple ratio 一 试验目的 矢量控制 VC 与直接转矩控制 DTC 作 为当前两种主要的交流电机变频调速传动控制方 法 在实际中得到广泛的应用 但对两者的优缺 点以及应用的局限性有不同的认识 为更好地澄 清一些对两者认识上的模糊不清问题 拟定从试 验的角度比较矢量控制与直接转矩控制各自的特 点及其优缺点 二 试验条件说明 对于矢量控制和直接转矩控制这两种控制方法 可以从许多方面进行比较 比如控制理论 控制 软硬件实现 主电路以及外围电路要求等 鉴于 实现样机方式的多样性 两种控制方法的试验比 较具有一定的困难性 特此对本次试验的试验条 件说明如下 1 此次试验将给出相应的特性曲线 以及简单 的试验结果描述 2 选定 A 公司的矢量控制通用变频器 15kW 称为 VC 变频器 和 B 公司的直接转矩控制通 用变频器 15kW 称为 DTC 变频器 作为本 次试验样机 此试验仅以此两台样机作为控制方 法载体来考察控制方法 样机样本选取问题不在 此试验中讨论 3 虽然两个变频器是被考察控制方法的主要载 体 但在此试验中 主要的试验数据都是从同一 台异步电机 3kW 上测取 选择的试验比较指 标 比如 电压电流畸变率 电磁转矩等 都是 从该电机的输入端测取 4 在试验原始数据测取的过程中 充分考虑了 试验环境和条件的相同性 比如 环境温度 电 机起始温度 录波仪采样率等 5 由于某些指标的特殊性和试验条件限制 这 些指标不是一次测取量 是经过其它一次测取的 原始 数据计算得到 在计算这些指标时 对于两种控 制方法 采用完全相同的计算公式和流程 而且 该计 算程序完全对外公开 对计算程序中的某些数据 处理方法可能会有不同意见 可对计算程序的准 确性进行充分的讨论 三 试验设备与连线 此次比较试验是在我室已有的 25kW 异步电 机试验平台上完成 系统结构示意图如图 3 1 所示 该平台是专门针对变频器 异步电机系统而设 计的 异步 电机 直流 电机 录波仪 3AC380V调压器变频器交流电源 Uab Ucb Ia Ic V 直流电源 电阻箱 AC220V V V 调压器整流桥 AO 测速码盘 计算机 专用协议 FTP 图 3 1 对比试验测试系统结构示意图 对于此次试验来说 试验系统的主要设备有 VC 和 DTC 变频器样机各一台 15kW 3kW 三 相绕线式异步电机一台 3kW 直流发电机一台 功率电阻箱一个 可变直流电压源二套 录波仪 一台和配套电压电流探头若干 三相工频 380V 电 源通过调压器为变频器供电 变频器输出接 3kW 绕线式异步电机 此电机与一等容量的直流发电 机同轴连接 在试验测试阶段 通过计算机上的 适配软件对变频器状态进行实时控制与监视 而 试验所需要的几组重要的数据 Uab Ucb Ia Ic 以及变频器几个模拟口输出量 则通过 DL750 录波仪从电机机端和变频器输出端子直接测取和 记录 这些原始数据通过 FTP 协议从录波仪下载 计算机 并转化为文本数据文件 最终使用这些 文本数据文件在 Matlab 下计算出相应的结果 在实现机组低速运行时 大负载转矩是通过 在直流发电机机端顺接直流电源来实现的 工频 220V 电源通过调压器接不控整流桥 整流桥输出 并联电容产生可调直流电源 该电源通过断路器 的切合来加减机组的负载 直流电源与电流电机 机端之间串有电阻负载 四 试验原理分析 在此次试验中 主要通过异步电机的机端测 量来获取电机性能的参数 以此来得到两台变频 器样机的控制特性 4 1 异步电机坐标变换 为了使试验分析的数学模型简化 由三相坐 标到两相坐标的变化是必需的 在此次试验的分 析中 采用的是静止两相坐标系 坐标 以避 开旋转变换 变换矩阵为 1 4 1 2 32 30 2 12 11 3 2 C 2 3 利用线电压与相电压的关系和公式 4 1 可 以得到 坐标下异步电机的定子电压和电流如下 4 2 2 uu 3 2u cbab1 4 3 2 u30 3 2u cb1 4 4 2 i 3 3 2i a1 4 5 i 32 i 3 3 2i ca1 4 2 异步电机定子磁链计算 由 Park 方程可以推出异步电机定子磁链的表 达式如下 1 4 6 dt iRu 1111 4 7 dt iRu 1111 其中 R1为定子相电阻 4 3 异步电机电磁转矩计算 在定子磁链计算的基础上 可以得到异步电 机的电磁转矩表达式如下 1 4 8 ii pT 1111ne 其中 pn是电机极对数 4 4 异步电机输入功率计算 对于异步电机 有效输入功率 P1的计算式为 4 9 td iuiu 2 1 P ccbaab1 4 5 异步电机功率因数和系统效率计算 对于异步电机来说 电机的输入视在功率为 4 10 rmsrmsI U3S 则功率因数为 4 11 S P cos 1 对于直流电机来说 当其电枢输出端只接电 阻负载 RL时 其输出功率为 4 12 L 2 DC 2 R U P 则异步电机 直流电机系统的效率为 4 13 1 2 P P 4 6 异步电机输入电压电流畸变率计算 1 2k 2 kTHD I II 1 2k 2 kTHD U UU 4 14 其中 U1和 I1是基波电压电流有效值 Uk和 Ik k 2 3 是各电压电流谐波有效值 3 4 7 直流发电机特性分析 对于直流发电机来说 有以下公式成立 3 4 15 nCE ea 4 16 am ICT 4 17 I I f af 其中 Ia为发电机电枢电流 Ea为电枢感应电动势 If为励磁电流 T 为直流电机电磁转矩 当直流发电机电枢输出接电阻负载时有 4 18 RR IE aLaa 其中 RL为负载电阻 Ra为电枢内阻 当系统转速比较低的时候 为得到较大的转 矩 直流电机电枢连接电阻加直流电压源负载 此时有 4 19 RR IVE aLaCa 此时 电枢电流由感应电动势 Ea和外接直流电源 VC共同建立 电流增加 则转矩也增加 因为 4 20 L R mam R V CICT 此时 直流电机的输出功率为 4 21 L R CRaO R V VV IVP 其中 VO为直流电机电枢两端的电压 当进行低速负载试验时 由于直流电机负载 的特殊性 系统的启动和停机操作规程如下 1 在系统启动时 保持整流桥与电阻箱之间的 断路器断开 合直流励磁电路 2 启动电机至期望频率 测量电流电机机端电 压 VO以及整流桥输出 VC 保证 VC和 VO在合理 范围内时 合断路器 3 通过调压器调节电容电压直至负载电流达到 一定值 当系统达到稳定时 记录电容电压和电 阻两端的电压 4 当系统停机时 首先降低电容电压约等于直 流电机开路电压 断开断路器 异步电机停机 直流电容放电 4 8 低速时异步电机定子磁链观测的数值分析 在交流电机变频调速传动控制中 低速时异 步电机的磁链观测是一个难题 在本次试验中 通过设计具有线性相位的有限冲击响应数字滤波 器 FIR DF 较好地实现了异步电机低速运行时 定子磁链观测 1 有线性相位的 FIR DF 假定一个离散的时间 系统其幅频响应为 1 而相频响应具有线性相位如 下 arg H ejw kw k 为常数 4 22 则该系统的相移与频率成正比 当一个信号 x n 通过此系统时 其输出 y n 的频率特性如下 Y ejw H ejw X ejw e jkw X ejw X ejw e jkw arg X ejw 4 23 所以 y n x n k 这样 输出 y n 等于输入在时间上的移位 从而达到了各频率段的信号无失真传输 具有线性相位的理想低通数字滤波器 其频 域形式为 4 24 0 0 C C jk j e eH h n sin n k wc n k 4 25 这是一个无限长且非因果的系统 物理上不 可实现 需要进行合理的截断 2 窗函数的选取 信号处理中的数据截断 就是一个窗函数的 选择问题 而窗函数的引入对信号在时域和频域 都有影响 窗函数的选取总是要求其频谱的主瓣 尽量的窄 边瓣峰值尽量的小 而在几种常用的 窗函数中 Hamming 窗和 Hanning 窗具有比较小 的边瓣和较大的衰减速度 在此选用 Hamming 窗 3 本试验滤波器设计 首先设计数字低通滤波器 然后利用相减的方法 得到高通滤波器 保证在低速时能较好地滤掉磁 链和电流的直流分量 以利于准确的磁链观测和 最终的转矩计算 五 试验内容和数据处理流程 5 1 稳态试验 稳态试验主要考察两个变频器输出不同频率 时异步电机的稳态运行性能 主要以异步电机电 磁转矩纹波系数为考察性能指标 变频器的频率 设定分别为 1Hz 5Hz 和 50Hz 速度反馈分带码 盘和不带码盘两种情况 在变频器设定频率为 50Hz 时 直流电机负载只使用电阻负载 而在 5Hz 和 1Hz 时 直流电机负载为电阻加直流源负 载 以提高低速时负载大小 在变频器设定频率 为 50Hz 时 同时考察电机输入侧的电流波形和电 压畸变率 异步电机的功率因数以及异步电 机 直流电机系统的效率 5 2 转矩动态响应试验 异步电机分别在两个变频器的驱动下 通过 变频器设定 对给定转矩施加阶跃变化 测取异 步电机的电磁转矩动态响应特性 在试验过程中 变频器的设定频率不受人为控制 直流电机负载 只使用电阻箱即可 转矩阶跃值分别为 20 40 20 60 20 80 20 100 100 代表异步电机额定转矩 考察和量测带码 盘和不带码盘两种情况下异步电机电磁转矩的变 化时间 5 3 鲁棒性试验 在异步电机转子中串入原阻值 50 左右的电 阻 0 5 按照稳态特性试验重新量测相关波形和 参数 5 4 数据处理流程 为了处理数据的统一和方便 在此次试验绝 大部分数据测取过程中 都统一采用录波仪记录 以下六个测量量 即 异步电机机端的 Uab Ucb Ia Ic 变频器模拟输出端子 AO1 AO2 各自代表实际转矩 转矩设定值或者 电机转速 此次试验的数据处理分成几个步骤 简单描 述如下 1 将录波仪记录的原始数据 HDR 和 WVF 通 过 ftp 协议从录波仪下载到计算机 并转化为文本 数据文件 CSV 为提高计算速度 将其转化为 MAT 文件 形成原始数据库 每个数据对应的 试验情况和采样率等信息被记录在清单文件中 2 根据试验原理中描述的公式对试验数据进行 计算 得到各个试验中的异步电机电磁转矩曲线 绝大部分试验数据采用同一程序进行计算 该程 序的流程图如图 5 1 所示 3 计算结果后处理 主要将各不同试验得到的 曲线进行比较 此次对比试验共有 47 个试验内容 详细见附 录 5 开始 读取数据 abc至 是否滤波 计算定子 磁链 是否滤波 计算电磁 转矩 输出结果 结束 低通滤波 高通滤波 计算其他 参数 N Y Y N 图 5 1 计算程序流程图 六 试验结果和分析 6 1 稳态试验 稳态试验主要考察两个变频器输出不同频率 时异步电机的稳态运行性能 主要以异步电机电 磁转矩纹波系数为考察性能指标 变频器的频率 设定分别为 1Hz 5Hz 和 50Hz 速度反馈分带码 盘和不带码盘两种情况 在变频器设定频率为 50Hz 时 直流电机负载只使用电阻负载 而在 5Hz 和 1Hz 时 直流电机负载为电阻加直流源负 载 以提高低速时负载大小 在变频器设定频率 为 50Hz 时 同时考察电机输入侧的电流波形和电 压畸变率 异步电机的功率因数以及异步电 机 直流电机系统的效率 在详细考察高性能的异步电机矢量控制 VC 和直接转矩控制 DTC 控制策略时 转速的闭环控 制环节是必不可少的 此次试验采用的是欧姆龙 公司的 NPN 集电极开路输出 E6C2 CWZ6C 型速 度码盘 每转脉冲数 2000 安装时有较高的同轴 度 从而可以较好的保证速度检测精度 相关试验结果如图 6 1 6 3 所示 图 6 1 不同频率电磁转矩稳态纹波系数 带码盘 图 6 2 不同频率下 VC 电磁转矩稳态纹波系数 带码盘 vs 不带码盘 图 6 3 不同频率下 DTC 电磁转矩稳态纹波系数 带码盘 vs 不带码盘 试验说明 无论 VC 还是 DTC 不带码盘相 比较带码盘 尤其在低速的情况下 转速性能都 会出现不同程度的恶化 尤其在低于 5Hz 后 两 者对码盘的依赖性急剧增加 VC 表现的对码盘的 依赖性更突出一些 因此 单就 A 和 B 这两种型 号的产品来讲 其无速度传感器的调速性能还不 能够和带码盘时的性能相媲美 尤其在极低速的 情况下 同时 在实验中考察了 A B 两个变频器在 50Hz 正常运行下的一系列性能指标 功率因数 效率 电压畸变率 电流畸变率 以带码盘为例 如图 6 4 图 6 4 带码盘时 50Hz 稳态性能 可以看出 带码盘时 DTC 的效率和 VC 相 差无几 DTC 电压畸变率偏高 但 DTC 比 VC 功 率因数要稍好 电流的畸变率稍低 总体来说 这几个性能指标在一个数量级上 基本上没有大 的差别 6 2 转矩动态响应试验 异步电机分别在两个变频器的驱动下 通过 变频器设定 对给定转矩施加阶跃变化 测取异 步电机的电磁转矩动态响应特性 在试验过程中 变频器的设定频率不受人为控制 直流电机负载 只使用电阻箱即可 转矩阶跃值分别为 20 40 20 60 20 80 20 100 100 代表异步电机额定转矩 考察和量测带码 盘和不带码盘两种情况下异步电机电磁转矩的变 化时间 计算出的各种情况的电磁转矩曲线如图 6 5 所示 转矩响应时间结果如图 6 5 6 8 所示 a 矢量控制转矩动态响应曲线 b 直接转矩控制转矩动态响应曲线 图 6 5 转矩动态响应试验电磁转矩波形 图 6 6 转矩响应时间 带码盘 图 6 7 VC 转矩响应时间 带码盘 vs 不带码盘 图 6 8 DTC 转矩响应时间 带码盘 vs 不带码盘 从试验结果中可以看出 稳态运行时 不同 频率运行的矢量控制系统的电磁转矩脉动系数要 比直接转矩控制系统小 而在转矩动态响应试验 中 直接转矩控制系统的电磁转矩响应时间要比 矢量控制系统的小 基本上后者是前者的 4 6 倍 此试验结果符合理论分析 码盘对于 VC 和 DTC 的转矩响应试验有一定的影响 但规律不太明显 6 3 鲁棒性试验鲁棒性试验 在异步电机转子中串入原阻值 50 左右的电 阻 0 5 按照稳态特性试验重新量测相关波形和 参数 试验过程中 同样考察带码盘和不带码盘 两种情况 图 6 9 为带码盘时 50Hz 鲁棒性试验的 稳态性能 图 6 9 带码盘时 50Hz 鲁棒性试验的稳态性 能 图 6 10 带码盘时不同频率下鲁棒性试验中异步机 电磁转矩稳态纹波系数 图 6 11 不同频率下 VC 鲁棒性试验中异步机电磁 转矩稳态纹波系数 带码盘 vs 不带码盘 图 6 12 不同频率下 DTC 鲁棒性试验中异步机电 磁转矩稳态纹波系数 带码盘 vs 不带码盘 图 6 13 不同频率下 VC 鲁棒性试验中异步机转速 纹波系数比较 带码盘 vs 不带码盘 图 6 14 不同频率下 DTC 鲁棒性试验中异步机转 速纹波系数比较 带码盘 vs 不带码盘 从鲁棒性试验来看 总体上 DTC 受转子侧 参数影响不大 而 VC 在转子参数变化时表现出了 较大的转矩 转速 波动 VC 在不带码盘的鲁棒 性试验中 当频率降到 1Hz 时甚至不能平滑运行 这也说明了 VC 对转子侧参数依赖性较强 其鲁棒 性相比 DTC 为弱 七 结论 虽然本文试验是针对交流电机变频调速传动 控制中的两种控制策略进行比较 但是就试验的 准备 设计 实施和后处理而言 此次的试