交流电机变频调速控制系统研究

姚勇

摘 要：在我国经济快速发展的过程中，许多项目广泛应用了交流调速技术。中国许多大型的工业项目都应用了交流调速传统技术，比如，风机、水泵高压变频节能传动，高速铁路推动牵引，大型的冷轧机和热轧机交流传动，大型的船舶电力推进，以及西气东输工程中的大型压缩机传动等等。探讨了DTC（直接转矩控制）以及VC（矢量控制）的发展现状以及历史，并且对于无速度传感器、稳态特征以及两者的转矩响应进行简要分析和探讨。

关键词：无速度传感器控制；转矩响应；直接转矩控制；矢量控制

前言

在市场容量逐渐提升的过程中，国际范围中各种产品的竞争越来越激烈。在产品技术竞争的过程中，直接转矩控制成为了竞争的热点。在全面展示和挖掘DTC控制前提下，被广泛宣传的DTC技术特点就是其转矩响应速度高于VC，速度在1到3ms之间，所以能够实现无速度传感器的调速控制，在速度为零时，达到满负荷输出的状态。

1 对转矩响应的分析

通过使用DTC直接转矩控制下的交流调速系统，相应的转矩响应速度要明显高于矢量控制。直接转矩控制系统中，相应的转矩阶跃响应大概在1ms左右。矢量控制系统中，相应的转矩阶跃响应在6到7ms之间。对于DTC的转矩响应为什么比矢量控制更快，一般來说，对于DTC这种控制系统，实际的定子转矩都是由相应的电机电压以及实际电流来进行计算的，为了达到相应变频器PWM控制的要求，使用了砰-砰控制的模式，在这种系统中，并没有包含相应的电流控制环路，因此相关人员对于控制系统的关注，不能放在电压上，而需要放在电流方面，把实际的交流电流依据磁场的相应坐标轴，划分成转矩分量以及相应的磁场分量，给予针对性的控制。要把关注点放到控制电流上，对于交流电机，如果想要加快转矩响应，如果不改变磁链就需要，加快电流的变化，这就需要电压产生快速的变化。对于矢量控制系统来世，有电流调节器来控制输出电压，所以对于电流的调节会产生一定的滞后。但是，当前的适量控制系统中，可以通过调节和控制电流以及前馈电压来产生输出电压，通过前馈电压控制可以提升动态响应速度，而且可以通过精确计算模型来控制电压输出，不会产生过冲现象，而且电流处于受控范围中。DTC因为缺乏电流控制环路，所以电压能够产生过冲现象，所以电机的加速电流比较高，自然而然就能获得较快的转矩响应以及电流响应。

DTC变频器实际上具有极强的转矩响应，这是无可争议的。我国著名的清华大学对电机的实际实验报告结果也肯定的证实了相应的结论。如果真的对于转矩响应的要求非常之高，比如交流伺服传动的情况或者机车牵引的情况，就可以应用DTC技术。如果相应的场合对于转矩响应只有比较低的要求，尤其是具有齿轮连接的传动情况，如果转矩响应太快，不仅无法带来好处，还会产生负面效果。

2 变频器的稳态特征分析

DTC变频器使用的是砰-砰控制，所以能够获得良好的转矩响应，但是因为这种变频器的开关频率并不确定，所以会产生随机的变化，通过分析可以得出DTC变频器的几个主要问题：第一，如果电子电力元器件情况相同，变频器只有略小的输出容量。第二，变频器的效率相对较低。第三，变频器的输出电压相对较低。第四，变频器的电流谐波以及电压较大。第五，客观的分析，DTC的变频器相比于矢量控制有着较大的区别，也就是难以在已经确定了开关频率的前提下，应用消除谐波的PWM控制。

所以客观地说，和VC这种形式相比较，DTC控制变频器的实际稳态指标十分的差，因此，如果相应的通用变频器对于良好的动态性能指标没有一定的要求，简单举几个例子：风机的节能传动情况、水泵的节能传动情况以及工业上的机械传动情况，对于这些实际情况来讲，实际的效率、容量利用率以及实际的变频器谐波都是极为重要的。VC这种模式应用意义比较高，优势十分明显。

对于那些大中型的传动设备，如果相关人员选用了IGCT元件的高压三电平变频器，那么必然的需要关注变频器的实际效率以及具体容量指标。本文在表1中，就列出了使用VC或者DTC这两种控制模式的实际IGCT高压三电平变频器技术的真实数据。

3 无速度传感器的控制

在个别的产品销售宣传中，宣称DTC技术的特点是，无速度传感器控制DTC变频器，在零速状态达到满负荷输出，这种说法是不正确的。VC和DTC采用相同的交流电机设计模型，但是DTC并没有无速度传感器控制得相关专利技术内容。对于无速度传感器控制来说，属于VC控制以及DTC控制中的相同研究题目内容。比如，鲁尔大学的相关教授就曾在我国讲学中强调，DTC变频器并不具备较好的低速控制性能，所以为了改进这种变频器的低速性能，需要使用ISR这种间接的控制方式，这种控制方法的原理是使用电流和电压依靠电机模型来得出了转子磁链，并且使用转子磁链控制实现对于DTC低速性能的补偿。对于控制系统来说，在低速时使用ISR，速度提升之后才进入到DTC状态，所以说，是利用VC来实现DTC的低速控制的。

对于无速度传感器来说，属于交流电机调速控制研究中的重要内容，也属于我国相关学术界以及变频器生产制造中的热点研究内容。我国各个高校投入了许多的研究精力，并且发表了较多的论文，但是我国对于无速度传感器的实践应用和国外发达国家的水平相差较大。我国的许多变频器的水平都是在V/F控制阶段，但是国外发达国家已经把无速度传感器控制做成了量产的产品。日本电器学会在2000年曾经调查了各个大型的电气企业的通用变频器所使用的无速度传感器。相关的无速度传感器控制系统主要分成四种形式：第一，角速度计算方式。第二，MRAS模型参考自适应法。第三，感应电势计算法。

4 结束语

综上所述，在讨论VC技术以及DTC技术的过程中，需要充分排除市场竞争中的商业因素，并且认清相关技术的真实面目，加强对于VC以及DTC的实践和理论探究，在对比VC以及DTC技术的缺点和优点过程中，不仅需要明确适用的场合，还需要明确VC技术以及DTC技术探索中的问题，努力发展我国自主研发的交流电机调速控制技术，为后续的交流调速技术的实际工程应用奠定基础；这更为工矿企业特别是发电厂优化变频器选型改造提供了有益借鉴。

参考文献

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