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交流电机变频调速控制系统的探讨

更新时间:2007-8-27  来源:tranbbs  作者:佚名  人气:  [ 投稿 ] [投稿帮助
  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
  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。



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

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