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1、直接转矩变频器 一、直接转矩思想概述 直接转矩控制（Direct Torque ControlDTC），国外的原文有的也称为Direct self-controlDSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制
2、和系统的高动态性能。 直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20世80年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。 直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电
3、动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以下几个方面： （1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究 在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器位置
4、估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。 （2）定子电阻变化的影响 直接转矩最核心的问题之一是定子磁链观测，而定子磁链的观测要用到定子电阻。采用简单的u-i 磁链模型，在中高速区，定子电阻的变化可以忽略不考虑，应用磁链的u-i 磁链模型可以获得令人满意的效果；但在低速时定子电阻的变化将影响磁通发生畸变，使系统性能变差。因此，如果能够对定子电阻进行在线辨识，就可以从根本上消除定子电阻变化带来的影
5、响。目前，常用的方法有参考模型自适应法、卡尔曼滤波法、神经网络以及模糊理论构造在线观测器的方法对定子电阻进行补偿，研究结果表明，在线辨识是一个有效的方法。 （3）磁链和转矩滞环的改进 传统的直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据滞环输出的结果来确定电压矢量。因为不同的电压矢量对转矩和定子磁链的调节作用不相同，所以只有根据当前转矩和磁链的实时值来合理的选择 电压矢量，才能有可能使转矩和磁链的调节过程达到比较理想的状态。显然，转矩和磁链的偏差区分的越细，电压矢量的选择就越精确，控制性能也就越好。 （4）死区效应的解决 为了避免上下桥臂同时导通造成直流侧短路，有必要引入足够大的互锁延时，结
6、果带来了死区效应。死区效应积累的误差使逆变器输出电压失真，于是又产生电流失真，加剧转矩脉动和系统运行不稳定等问题，在低频低压时，问题更严重，还会引起转矩脉动。死区效应的校正，可由补偿电路检测并记录死区时间，进行补偿。这样既增加了成本，又降低了系统的可靠性。可用软件实现的方法，即计算出所有的失真电压，根据电流方向制成补偿电压指令表，再用前向反馈的方式补偿，这种新型方案还消除了零电压箝位现象。除了以上几种最主要的方面外，一些学者还通过其他途径试图提高系统的性能。 直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动
7、机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制了。 二、 直接转矩控制技术的特点 (1) 直接转矩控制技术是在定子坐标系下分析交流电动机
8、的数学模型，直接控制电动机的磁链和转矩，摒弃了矢量控制中复杂的矢量旋转变换。因此，它所需要的信号处理工作特别简单。 (2) 与矢量控制技术不同，直接转矩控制技术是选择定子磁链作为被控制量，只需知道定子电阻即可观测得到，因此定子磁链观测模型受电机参数变化的影响小，有利于提高系统的鲁棒性。 (3) 直接转矩控制是建立在瞬间空间理论的基础上，采用空间矢量的概念来分析交流电动机的数学模型和控制其各个物理量的变化，尤其是可以直接得到逆变器的开关状态，易于优化系统的工作状态。 (4) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制。与矢量控制方法不同，它不是通过定子电流来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，因此省
9、掉了电流和电压的控制环节，大大的提高了系统响应能力。直接转矩控制是直接将转矩检测量与转矩给定值进行滞环比较，通过开关表来选择电压矢量，开关电压矢量可以直接控制定子磁链矢量的速度，实现对转矩的直接控制。因此，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，使得控制算法既直接又简洁。 (5) 直接转矩控制可以直接对逆变器开关状态进行最佳控制，不需要电压解耦。直接转矩控制的解耦体现在选择合适的开关电压矢量，通过它们的径向分量和切向分量来独立地控制定子磁链矢量的幅值和旋转速度。其控制线路简单，便于实现全数字化控制。 (6) 直接转矩控制与矢量控制相比，在加减速或负载变化的动
10、态过程中，可获得快速的转矩响应。但是，由此带来的过大电流冲击必须加以限制。三、直接转矩控制系统结构 异步电动机的直接转矩控制系统基本结构图如图1 图1直接转矩控制系统是一个双闭环的调速系统，内环采用磁链和转矩闭环控制，通过对电机定子端的电压和电流的采样信号进行3s/2s 坐标变换，计算出在-坐标系下的电压、和电流、，通过磁链和转矩观测模块得到磁链反馈量、转矩反馈量和磁链位置角，分别与给定磁链值和转矩值比较,偏差值和分别经过磁链滞环比较器和转矩滞环比较器,得到磁链偏差信号和转矩偏差信号TQ，根据和TQ以及定子磁链所处的扇区共同确定电压空间矢量，实现对电压型逆变器开关器件的控制。四、直接转矩控制的
11、原理直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（BandBand控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。异步电动机的电磁转矩表达式为： 式中，为电机漏感系数， 为定子磁链空间矢量与转子磁链空间矢量之间的夹角，即负载角。若定子磁链幅值和转子磁链幅值保持不变，电磁转矩的变化仅与负载角有关。在动态控制中，控制的响应时间比转子时间常数小得多
12、，在短暂的过程中可以认为近乎不变。由此可见，只要通过控制保持的幅值不变，就可以通过调节来改变和控制电磁转矩，这是直接转矩控制的实质。直接转矩控制技术的基本控制方法就是通过改变外加电压矢量来控制定子磁链矢量的幅值和相位变化的。五、ABB变频器ACS800系列简介ABB的ACS800系列变频器是直接转矩控制型变频器，在提升机、挖掘机等重型负载上应用较多，下面简单介绍ACS800系列的型号及对应的功率。型号功率安装方式ACS800-010.55千瓦至200千瓦壁挂式传动ACS800-0245千瓦至560千瓦落地式传动ACS800-0745千瓦至2800千瓦柜体式传动ACS800-07LC200千瓦至5600千瓦柜体式水冷型传动ACS800-115.5千瓦至110千瓦壁挂式可再生传动ACS800-1745千瓦至2500千瓦柜体式可再生传动ACS800-17LC55千瓦至5200千瓦柜体式水冷可再生传动ACS800-315.5千瓦至110千瓦壁挂式低谐波传动ACS800-3737千瓦至2700千瓦柜体式低谐波传动ACS800-37LC55千瓦至5200千瓦柜体式水冷低谐波传动
