变频调速控制系统

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1、交流电机变频调速控制系统摘要：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　　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。　　

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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　　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。　　　　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

7、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