交流电机变频调速控制系统的探讨

交流电机变频调速控制系统的探讨交流电机变频调速控制系统的探讨 Study of control system for AC drives 李崇坚李崇坚 工学博士工学博士 冶金自动化研究设计院冶金自动化研究设计院 100071 摘要 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 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 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 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 a 矢量控制 b 直接转矩控制 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 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 表 1 VC DTC 电机控制 磁场定向电机模型 磁场定向电机模型 电流控制 两分量电流控制 快速内电流控制环 PWM 控制 最佳脉冲控制 砰 砰控制 开关频率 确定 150 200HZ 不确定 350HZ 输出电压 3300V 3100V IGCT 元件 4KA 4 5KV 4KA 4 5KV 输出容量 10MVA 9MVA 4 无速度传感器控制 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 T i1控制误差补偿法 感应电势计算法 模型参考自适应 MRAS 法 s 2 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 图 2 通用变频器基本控制结构框图 图 3 定子电流转矩分量 T i1控制误差补偿法 图 4 感应电势计算法 图 5 模型参考自适应 MRAS 法 图 6 s 2 角速度计算法 表 2 各公司无速度传感器控制方式 公司 控制方式速度辨识 正向控制 1 安川 VC T i1控制误差法 T i1控制 21 M i控制 2 日立 VC T i1控制误差法 mT uu 11 控制 3 明电舍 VC T i1 2 误差法 mT uu 11 控制 4 日立 VC 2 2 m T e mT ui 11 控制 5 东芝 VC 2 2 m T e mT ii 11 控制 6 富士电机 VC 2 2 m T e T i1 21 M i控制 7 三菱 VC M