2022年2022年交流电机变频调速控制系统流行的矢量控制 .pdf

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1、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 ）探讨发布日期： 2009-7-2 15:15:36 (阅 256 次) 关键词 : 变频调速转矩响应直接转矩控制摘要：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： 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 转载于自 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

2、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 快名师资料总结 - - -精品资料欢迎

3、下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 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

4、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

5、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13ms，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

6、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

7、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67ms，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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - DTC 为什么具有比矢量控制快的转矩响应 呢？

8、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

9、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 34 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D

10、TC 的转矩响应 就不会达到12ms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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 由于 DTC 砰-砰控制使其输出电压有较大的du/dt，故 DT

11、C 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

12、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。

13、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4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

14、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

15、种方式 定子电流转矩分量控制误差补偿法 感应电势计算法 模型参考自适应MRAS 法角速度计算法图（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DTCVC 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

16、 - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 5.结论通过对 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， 积极发展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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -