直接轉(zhuǎn)矩變頻器

1、直接轉(zhuǎn)矩變頻器 一、直接轉(zhuǎn)矩思想概述 直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque controldtc），國外的原文有的也稱為direct self-controldsc，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制的。這種方法不需要復雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實現(xiàn)pwm脈寬調(diào)制

2、和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。 直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，dtc）變頻調(diào)速，是繼矢量控制技術(shù)之后又一新型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。20世80年代中期，德國魯爾大學的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi教授分別提出了六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制方案和圓形直接轉(zhuǎn)矩控制方案。1987年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論又被推廣到弱磁調(diào)速范圍。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)（band-band）產(chǎn)生pwm 波信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省去了復雜的矢量變換與電

3、動機的數(shù)學模型簡化處理，沒有通常的pwm 信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。針對其不足之處，現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相對于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有了很大的改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究 在實際應用中，安裝速度傳感器會增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向，且取得了一定的成果。對轉(zhuǎn)子速度估計的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置

4、估計法、模型參考自適應法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。有的學者從模型參考自適應理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，只要選擇適當?shù)膮?shù)自適應律，速度辨識器就可以比較準確地辨識出電機速度。 （2）定子電阻變化的影響 直接轉(zhuǎn)矩最核心的問題之一是定子磁鏈觀測，而定子磁鏈的觀測要用到定子電阻。采用簡單的u-i 磁鏈模型，在中高速區(qū)，定子電阻的變化可以忽略不考慮，應用磁鏈的u-i 磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果；但在低速時定子電阻的變化將影響磁通發(fā)生畸變，使系統(tǒng)性能變差。因此，如果能夠?qū)Χㄗ与娮柽M行在線辨識，就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影

5、響。目前，常用的方法有參考模型自適應法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡以及模糊理論構(gòu)造在線觀測器的方法對定子電阻進行補償，研究結(jié)果表明，在線辨識是一個有效的方法。 （3）磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的改進 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制一般對轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)輸出的結(jié)果來確定電壓矢量。因為不同的電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實時值來合理的選擇 電壓矢量，才能有可能使轉(zhuǎn)矩和磁鏈的調(diào)節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。顯然，轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就越好。 （4）死區(qū)效應的解決 為了避免上下橋臂同時導通造成直流側(cè)短路，有必要引入足夠大的互鎖延時，結(jié)

6、果帶來了死區(qū)效應。死區(qū)效應積累的誤差使逆變器輸出電壓失真，于是又產(chǎn)生電流失真，加劇轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題，在低頻低壓時，問題更嚴重，還會引起轉(zhuǎn)矩脈動。死區(qū)效應的校正，可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時間，進行補償。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性?？捎密浖崿F(xiàn)的方法，即計算出所有的失真電壓，根據(jù)電流方向制成補償電壓指令表，再用前向反饋的方式補償，這種新型方案還消除了零電壓箝位現(xiàn)象。除了以上幾種最主要的方面外，一些學者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。 直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動

7、機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動機模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。 2、 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點 (1) 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在定子坐標系下分析交流電動機

8、的數(shù)學模型，直接控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，摒棄了矢量控制中復雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換。因此，它所需要的信號處理工作特別簡單。 (2) 與矢量控制技術(shù)不同，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是選擇定子磁鏈作為被控制量，只需知道定子電阻即可觀測得到，因此定子磁鏈觀測模型受電機參數(shù)變化的影響小，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性。 (3) 直接轉(zhuǎn)矩控制是建立在瞬間空間理論的基礎(chǔ)上，采用空間矢量的概念來分析交流電動機的數(shù)學模型和控制其各個物理量的變化，尤其是可以直接得到逆變器的開關(guān)狀態(tài)，易于優(yōu)化系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制。與矢量控制方法不同，它不是通過定子電流來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，因此省

9、掉了電流和電壓的控制環(huán)節(jié)，大大的提高了系統(tǒng)響應能力。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接將轉(zhuǎn)矩檢測量與轉(zhuǎn)矩給定值進行滯環(huán)比較，通過開關(guān)表來選擇電壓矢量，開關(guān)電壓矢量可以直接控制定子磁鏈矢量的速度，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。因此，它的控制效果不取決于電動機的數(shù)學模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，使得控制算法既直接又簡潔。 (5) 直接轉(zhuǎn)矩控制可以直接對逆變器開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，不需要電壓解耦。直接轉(zhuǎn)矩控制的解耦體現(xiàn)在選擇合適的開關(guān)電壓矢量，通過它們的徑向分量和切向分量來獨立地控制定子磁鏈矢量的幅值和旋轉(zhuǎn)速度。其控制線路簡單，便于實現(xiàn)全數(shù)字化控制。 (6) 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相比，在加減速或負載變化的動

10、態(tài)過程中，可獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應。但是，由此帶來的過大電流沖擊必須加以限制。三、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖如圖1 圖1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)采用磁鏈和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，通過對電機定子端的電壓和電流的采樣信號進行3s/2s 坐標變換，計算出在-坐標系下的電壓、和電流、，通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測模塊得到磁鏈反饋量、轉(zhuǎn)矩反饋量和磁鏈位置角，分別與給定磁鏈值和轉(zhuǎn)矩值比較,偏差值和分別經(jīng)過磁鏈滯環(huán)比較器和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器,得到磁鏈偏差信號和轉(zhuǎn)矩偏差信號tq，根據(jù)和tq以及定子磁鏈所處的扇區(qū)共同確定電壓空間矢量，實現(xiàn)對電壓型逆變器開關(guān)器件的控制。四、直接轉(zhuǎn)矩控制的

11、原理直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數(shù)學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（bandband控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生pwm脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為： 式中，為電機漏感系數(shù)， 為定子磁鏈空間矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量之間的夾角，即負載角。若定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持不變，電磁轉(zhuǎn)矩的變化僅與負載角有關(guān)。在動態(tài)控制中，控制的響應時間比轉(zhuǎn)子時間常數(shù)小得多

12、，在短暫的過程中可以認為近乎不變。由此可見，只要通過控制保持的幅值不變，就可以通過調(diào)節(jié)來改變和控制電磁轉(zhuǎn)矩，這是直接轉(zhuǎn)矩控制的實質(zhì)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基本控制方法就是通過改變外加電壓矢量來控制定子磁鏈矢量的幅值和相位變化的。五、abb變頻器acs800系列簡介abb的acs800系列變頻器是直接轉(zhuǎn)矩控制型變頻器，在提升機、挖掘機等重型負載上應用較多，下面簡單介紹acs800系列的型號及對應的功率。型號功率安裝方式acs800-010.55千瓦至200千瓦壁掛式傳動acs800-0245千瓦至560千瓦落地式傳動acs800-0745千瓦至2800千瓦柜體式傳動acs800-07lc200千瓦至5