矿山电机控制系统原理分析

王　强　李瑞雪

摘要：本文通过对矿山电机控制系统原理进行分析，指出矿山、冶金等使用的大型变频装置，可以在效率基本不变的情况下， 通过改变驱动电源的电压和频率，平滑地调节电机转速，根据输出量的要求改变输出功率，从而节省大量的电能。

关键词：矿山；电机；VC；DTC

1 前言：在矿山、冶金和轻纺工业中，使用着大量的风机，水泵，搅拌机和压缩机。这些机械一般都有用交流电机驱动，功率都在几百以上，有的甚至几千以上，消耗的电能是非常可观的。仔细观察这些机械的运行状况，可以发现他们大部分都不是常年工作在额定功率之上，而是经常只有50%～70%甚至更低的输出量。但目前这类机械大多使用恒速交流传动；而以挡板、阀门或空放回流的办法进行调节，白白损失掉大量的电能，越是大功率的风机水泵，情况越是严重。

使用的大型变频装置，可以在效率基本不变的情况下，通过改变驱动电源的电压和频率，平滑地调节电机转速，根据输出量的要求改变输出功率，从而节省大量的电能。

2 VC与DTC的产生与发展

自1971年德国西门子公司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一直接转矩控制(以下简称DTC)，其原理具有不同于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；采用砰一砰控制；DTC与脉宽调制PWM技术并用；转短响应快；应用于Cro电压型变颇器的机车牵引传动。

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，高速铁路牵引传动电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。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。

根据国内外资料以及同部份专家的研讨，笔者对DTC和VC控制系统的现状及实用化技术提出以下一些粗浅的看法。

3 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，大约为6ms-7ms，直接转矩控制系统的转矩阶跃响应可以达到lms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，采用砰一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，砰一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。

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，即砰一砰控制的频率。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。砰一砰控制频率的降低会影响DTC的转矩响应指标。

由于DTC砰一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。

4 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，谐波就显得重要，在这些应用场合VC显然要优于DTC。

5 无速度传感器控制

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。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：定于电流转矩分量控制误差补偿法；感应电势计算法；型参考自适应MRAS法；角速度计算法。

6 总结

实际上，使用大型变频器还带来更多的好处，在上述分析中未考虑进去。如：

6.1 由于“软启动”可减少启动时的峰值功率损耗并减少马达启停对机构的冲击，延长使用寿命。

6.2 使用变频调速可使用马达与负载直接连接，减少中间传动环节的费用。

6.3 完善的监控和可靠性措施提高了系统工程和工作效率。

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，在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。

作者简介：王强，1996年毕业于安徽省煤炭工业学校机电专业，02-06年安徽理工大学机械设计制造专业脱产进修,大本,现任皖北煤电集团公司刘桥第一煤矿机电科助理工程师。