礦山電機(jī)控制系統(tǒng)原理分析

王　強(qiáng)　李瑞雪

摘要：本文通過(guò)對(duì)礦山電機(jī)控制系統(tǒng)原理進(jìn)行分析，指出礦山、冶金等使用的大型變頻裝置，可以在效率基本不變的情況下， 通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電源的電壓和頻率，平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)輸出量的要求改變輸出功率，從而節(jié)省大量的電能。

關(guān)鍵詞：礦山；電機(jī)；VC；DTC

1 前言：在礦山、冶金和輕紡工業(yè)中，使用著大量的風(fēng)機(jī)，水泵，攪拌機(jī)和壓縮機(jī)。這些機(jī)械一般都有用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率都在幾百以上，有的甚至幾千以上，消耗的電能是非?？捎^的。仔細(xì)觀察這些機(jī)械的運(yùn)行狀況，可以發(fā)現(xiàn)他們大部分都不是常年工作在額定功率之上，而是經(jīng)常只有50%～70%甚至更低的輸出量。但目前這類機(jī)械大多使用恒速交流傳動(dòng)；而以擋板、閥門或空放回流的辦法進(jìn)行調(diào)節(jié)，白白損失掉大量的電能，越是大功率的風(fēng)機(jī)水泵，情況越是嚴(yán)重。

使用的大型變頻裝置，可以在效率基本不變的情況下，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電源的電壓和頻率，平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)輸出量的要求改變輸出功率，從而節(jié)省大量的電能。

2 VC與DTC的產(chǎn)生與發(fā)展

自1971年德國(guó)西門子公司發(fā)明了基于交流電機(jī)坐標(biāo)交換的交流電機(jī)矢量控制(以下簡(jiǎn)稱VC)原理以來(lái)，交流電機(jī)矢量控制得到了廣泛地應(yīng)用。經(jīng)過(guò)30年的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程實(shí)踐，矢量控制原理日趨完善，大大小小的交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制，使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過(guò)傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。

1985年德國(guó)魯爾大學(xué)提出了不同于坐標(biāo)變換矢量控制的另外一種交流電機(jī)調(diào)速控制原理一直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡(jiǎn)稱DTC)，其原理具有不同于VC的鮮明特點(diǎn)：不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，有靜止坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈；采用砰一砰控制；DTC與脈寬調(diào)制PWM技術(shù)并用；轉(zhuǎn)短響應(yīng)快；應(yīng)用于Cro電壓型變頗器的機(jī)車牽引傳動(dòng)。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，通用變頻器年銷售額已超過(guò)50億。國(guó)家“十五”期間，許多大型項(xiàng)目需要交流調(diào)速傳動(dòng)，例如，西氣東輸?shù)拇笮蛪嚎s機(jī)傳動(dòng)，大型船舶電力推進(jìn)，大型熱軋和冷軋機(jī)交流傳動(dòng)，高速鐵路牽引傳動(dòng)電以及風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻節(jié)能傳動(dòng)等等。

隨著市場(chǎng)容量的擴(kuò)大國(guó)際各公司產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，直接轉(zhuǎn)矩控制成為產(chǎn)品技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)亮點(diǎn)。一時(shí)間在中國(guó)的用戶，變頻器制造廠以及國(guó)家重大項(xiàng)目決策中造成了混亂，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)演變?yōu)镈TC與VC的技術(shù)之爭(zhēng)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料以及同部份專家的研討，筆者對(duì)DTC和VC控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及實(shí)用化技術(shù)提出以下一些粗淺的看法。

3 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，大約為6ms-7ms，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達(dá)到lms左右。

DTC為什么具有比矢量控制快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)呢？眾所周知，DTC控制系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰一砰控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制，DTC控制系統(tǒng)沒(méi)有電流控制環(huán)路，因此，DTC控制系統(tǒng)的著眼點(diǎn)是電壓，而不是電流。而矢量控制的原理是基于交流電機(jī)的電流控制，把交流電流按磁場(chǎng)坐標(biāo)軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量，分別加以控制，故矢量控制的著眼點(diǎn)是電流控制。對(duì)于交流電機(jī)來(lái)講，要想獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，在磁鏈不變的條件下，就要求電流的快速變化，而電流的變化是由電壓的快速變化引起的。

矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的，這就存在電流調(diào)節(jié)的時(shí)間滯后。當(dāng)然，現(xiàn)代的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓可以是由電機(jī)模型計(jì)算的前饋電壓控制和電流調(diào)節(jié)共同產(chǎn)生，前饋電壓控制可以獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但這個(gè)電壓輸出是由模型精確計(jì)算的，沒(méi)有任何過(guò)沖現(xiàn)象，且電流是始終受控的。而DTC由于沒(méi)有電流控制環(huán)路，砰一砰控制產(chǎn)生的輸出電壓沒(méi)有任何電流限制，電壓可以出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象。故電機(jī)可以獲得較大的du/dt,較大的加速電流，因而產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不言而喻了。

但DTC這種快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是有條件的，如果在額定電壓條件下，特別是弱磁運(yùn)行區(qū)，電壓將沒(méi)有過(guò)沖的余度空間。此外，大型的交流傳動(dòng)必須對(duì)電機(jī)電流加以限制，這樣DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不會(huì)達(dá)到1-2ms那么高的指標(biāo)水平。

DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)還取決于PWM的開(kāi)關(guān)頻率，即砰一砰控制的頻率。對(duì)于采用GTO或IGCT元件的大型PWM變頻器來(lái)講，高的開(kāi)關(guān)頻率將導(dǎo)致變頻器的損耗加大，效率降低，故變頻器的脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率不能太高。砰一砰控制頻率的降低會(huì)影響DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)指標(biāo)。

由于DTC砰一砰控制使其輸出電壓有較大的du/dt,故DTC變頻器輸出都加裝濾波器,以減少du/dt對(duì)電機(jī)絕緣的影響,而濾波器增加了線路電感，在減少了du/dt同時(shí)，也降低了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

盡管如此，DTC變頻器可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

4 變頻器的穩(wěn)態(tài)特性

DTC變頻器采用砰——砰控制帶來(lái)較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，同時(shí)由于其開(kāi)關(guān)頻率是不確定、隨機(jī)變化的使DTC變頻器存在以下問(wèn)題：無(wú)法象矢量控制那樣，在確定的開(kāi)關(guān)頻率條件下，采用消除PWM控制方法；變頻器輸出電壓，電流的諧波較大；變頻器輸出電壓偏低；變頻器效率略低；在電力電子元器件條件下，變頻器輸出容量略小。

也就是說(shuō)，DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差，這對(duì)于那些不要求較高動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的通用變頻器，例如風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能傳動(dòng)，一般工業(yè)機(jī)械傳動(dòng)，變頻器的效率，容量利用率，諧波就顯得重要，在這些應(yīng)用場(chǎng)合VC顯然要優(yōu)于DTC。

5 無(wú)速度傳感器控制

無(wú)速度傳感器控制是交流電機(jī)調(diào)速控制的重要課題，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及變頻器制造廠的研究熱點(diǎn)。但無(wú)速度傳感器控制的實(shí)用化還與國(guó)外產(chǎn)品差距很大。國(guó)產(chǎn)變頻器大多還處在V/F控制水平，而國(guó)外早已實(shí)現(xiàn)了無(wú)速度傳感器控制的產(chǎn)品化。

日本電氣學(xué)會(huì)在2000年曾對(duì)日本各大電司通用變頻器的無(wú)速度傳感器控制進(jìn)行了調(diào)查，其無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)大體分為四種方式：定于電流轉(zhuǎn)矩分量控制誤差補(bǔ)償法；感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算法；型參考自適應(yīng)MRAS法；角速度計(jì)算法。

6 總結(jié)

實(shí)際上，使用大型變頻器還帶來(lái)更多的好處，在上述分析中未考慮進(jìn)去。如：

6.1 由于“軟啟動(dòng)”可減少啟動(dòng)時(shí)的峰值功率損耗并減少馬達(dá)啟停對(duì)機(jī)構(gòu)的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命。

6.2 使用變頻調(diào)速可使用馬達(dá)與負(fù)載直接連接，減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的費(fèi)用。

6.3 完善的監(jiān)控和可靠性措施提高了系統(tǒng)工程和工作效率。

通過(guò)對(duì)DTC與VC技術(shù)的討論，我們應(yīng)排除市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)造成的商業(yè)宣傳因素，還其技術(shù)的本來(lái)面目，重新認(rèn)識(shí)DTC與VC的理論和實(shí)踐，在比較DTC與VC的優(yōu)缺點(diǎn)并明確其適用場(chǎng)合的同時(shí)，也認(rèn)清DTC與VC技術(shù)待攻克的課題，在我國(guó)自主的交流電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)，為交流調(diào)速技術(shù)的理論發(fā)展和工程實(shí)用技術(shù)的推廣作出貢獻(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：王強(qiáng)，1996年畢業(yè)于安徽省煤炭工業(yè)學(xué)校機(jī)電專業(yè)，02-06年安徽理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)脫產(chǎn)進(jìn)修,大本,現(xiàn)任皖北煤電集團(tuán)公司劉橋第一煤礦機(jī)電科助理工程師。