浅析ACS1000的直接转矩控制和输出侧的谐波抑制

浅析ACS1000的直接转矩控制和输出侧的谐波抑制兰州石化公司许志军730060交流电机是当前应用最广泛的电机，约占各类电机总数的85%，它具有结构简单、价格低廉、维护费用低等优点，但它的弱点是调速困难。变频器是一种革命性的新一代电机专用控制产品，基于微处理器数字控制技术，通过动态调整电机运行过程中的电压和电流，在不改变电机转速的条件下，保证电机的输出转矩与负荷需求的精确匹配。变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：1、恒转矩应用；2、变转矩应用。就应用的目的来说，主要有：1、以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提高生产率、提高产品质量，使设备合理化。适应或改变环境等。2、以节能为主要目的，以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来实现节能。高压聚乙烯的挤压造粒单元采用的是传统的挤压系统。这种挤压系统中一台挤出设备通常由主挤出机、辅助挤出机及其控制系统组成。这些组成部分统称为挤出机组。1．主挤出机一台挤出机主机由挤压、传动、加热冷却三部分系统组成。挤压系统主要由螺杆和机桶组成，是挤出机的关键部分；传动系统中起作用的是驱动螺杆，要保证螺杆在工作过程中具备所需要的扭矩和转速；加热冷却系统主要来保证物料和挤压系统在成型加工中的温度控制。2．辅助挤出机挤出设备的辅机的组成根据制品的种类而定。一般来说，辅机由剂透定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置以及制品的卷取或堆放装置等部分组成。3．控制系统挤出机的控制系统主要由电气、仪表和执行机构组成，其主要作用为：（1）控制主、辅机的拖动电机，满足工艺要求所需的转速和功率，并保证主、辅机能协调运行。（2）控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量。（3）实现整个机组的自动控制。高压聚乙烯挤压单元的主挤压机组简图如图（1）图(1)主挤压机组简图高压聚乙烯的挤机使用的是ABB公司制造的三相高压异步电动机。主挤压机的铭牌参数如下表额定功率额定电压额定电流级数绝缘等级转速功率因数频率接线方式2800KW3300KV317A4F9930.8850HZ△表（1）高压聚乙烯主挤压机的铭牌参数为了满足工艺的需求，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速，同时为了保证挤出速度的稳定，变频器选用了与电机匹配的ABB公司生产的ACS1000高压变频器。ABB公司制造的ACS1000变频器比其他公司制造的变频器性能更优越。其优势就在于：它首先将无速度反馈直接转矩控制技术运用到了变频器上，使变频器在不需要安装速度反馈设备的条件下对标准的鼠笼感应异步电机转速进行精确控制，使用户免去了繁琐的光码盘或测速电机设备的安装和维护工作使。ACS1000是应用于鼠笼式感应电机的三相变频器。采用成熟的微处理器控制技术来监控电机的电磁状态。这些数据配合直接转矩控制技术（DTC）可以达到近乎完美的无传感器电机控制。外加脉冲编码器反馈后。可以应用于精确的速度控制或长期运行于接近零速区域的应用场合。ACS1000变频器的输出电压接近正弦，可以方便的使标准感应电机而不需要降容。ACS1000的电气原理图如图(2)图（2）ACS1000电气原理图三相交流电源通过三绕组变压器对整流桥供电。因高压聚乙烯的供电电网对谐波的要求不是很高，所以选用了ACS1000的12脉波型号。为了获得12脉波整流，变压器两个副边绕组之间必须存在30度的相位差。副边一个绕组为星形接法，另一个绕组为三角形接法。两个无熔断器的整流桥串联，因此直流电压为两整流桥的叠加。两个整流桥均流过全部直流电流。为进行三电平切换运行，三相逆变器的每个桥臂由2个IGCT组成：IGCT的输出电压在正直流电压、中性点(NP)和负直流电压之间切换。因此，采用DTC技术，就可以对输出的电压和频率在0到最大值之间进行连续的控制。充电电阻在变频器上电时限制直流回路的电流。当直流电压达到79%额定值时，IGCT导通，充电电阻被旁路掉。保护IGCT的主要作用就是在出现故障时迅速关断，以保护整流桥。一、直接转矩控制直接转矩控制（DTC）是交流传动的一种独特的电机控制方式。直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其副值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电动机定子磁链的瞬时旋转速度来改变它对转子的瞬时转差率达到直接控制电动机输出的目的。DTC系统直接将电机的瞬时转矩作为状态变量进行反馈调节，同时兼顾磁链幅值的闭环控制，将转矩和磁链保持在一定的容差范围内，对逆变器采用空间矢量脉宽调（PWM）制策略，直接由控制信号得到逆变器的开关状态。（一）、直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的原理比较简单，就是根据计算得出的反馈值（转速、电流）（没有实际值，因为在电机内部安装传感器并不实用，一般反馈量都是计算出来的）与给定值相比较，根据偏差（磁链和转矩）大小，选择合适的电压矢量（逆变器开关状态）。电压矢量对定子磁链进行控制（幅值，相位），从而改变转矩。1．异步电动机的数学模型异步电动机的空间矢量等效图如图（4）所示，该等效电路是在正交坐标系（α-β坐标系）上描述异步电动机的。图（4）异步电动机的空间矢量等效电路图其中：US（t）-----定子电压空间矢量iS（t）-----定子电流空间矢量ir（t）-----转子电流空间矢量ΨU（t）----定子磁链空间矢量Ψr（t）----转子磁链空间矢量ω-----电角速度则异步电动机在定子坐标系上各方程可表示如下：电压方程：（1）（2）磁链方程：（3）（4）转矩方程：（5）若用转子磁链代替定子电流，转矩方程将变成如下形式：（6）或(7)θ是磁通角，即定子磁链与转子磁链之间的夹角。在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机，而转子磁链的幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可通过改变磁通角θ来实现，定子磁链可通过改变输入电压来调节。2．直接转矩控制的原理直接转矩控制的控制原理如图（5）所示图（5）直接转矩控制的原理框图由此图可看到控制时需检测出直流母线电压和定子电流，再按下式进行坐标变换到静止的定子坐标系（α，β）上。其中：xa（t），xb（t），xc（t）是定子相应量的瞬时值，是空间矢量，xα（t），xβ（t）是（α，β）坐标系上的两个分量。在α，β方向计算实际的磁通值和转矩值作为反馈分别与磁通给定构成闭环，同时还要计算出磁通所在扇区位置，最终通过转矩差、磁通差、磁通扇区，进行bang-bang控制，利用逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态，即不断切换电压空间矢量，使定子磁链轨迹接近圆形，并通过零点压矢量的穿插来改变转差频率，以控制电动机的转矩及其变化率，从而使异步电动机的磁链和转矩同时按要求快速变化。(二)、ACS1000的直接转矩控制在ACS1000的直接转矩控制系统中，逆变器的开关状态由电机的核心变量磁通和转矩直接控制。测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。ACS1000的直接转矩控制完美的性能是建立在精确的电机模型基础上的。该电机模型的参数是在增强辨识运行期间自动检测到的。基本的电机铭牌数据（功率、转速、功率因数、额定电压和额定电流）要首先手动输入变频器，主挤压机的铭牌参数如表（1）。然后再对传动进行一次电机辨识运行。为了获得最优化的参数，在电机辩识运行期间要把负载从电机上脱开。ACS1000按预先设定的程序运行几分钟。在每个运行状态下ACS1000都会测量电机和逆变器的反馈值。电机模型参数就是根据这些测量值来计算和优化的。最终的结果就是增强电机模型，为直接转矩控制提供精确的磁通、转矩和电机转速。如果没有选择任何辩识运行，变频器将因为辩识运行故障而停机。ACS1000的电机辩识运行通过第99组参数即启动数据来设定。在该参数组中必须按电机铭牌参数准确无误的输入数据。在该参数组中定义了电机的额定电压、额定电流、额定转速、额定功率、额定频率、电机控制模式和电机辨识类型。主挤压机选择的控制模式为直接转矩控制，同时为了保证最大可能的转矩控制精度，选择了标准运行方式，该运行方式的辩识运行大概需要一分钟的时间。在ACS1000的直接转矩控制系统中，自适应的电机模型通过对采集到的电压电流信号进行计算得到电机的实际速度、实际转矩和实际磁通。计算出的实际速度和给定速度相比较得出的偏差值送入PID控制器，PID控制器得出的转矩和变频器的给定转矩再送入到转矩给定调节器，由转矩给定调节器得出内部转矩给定；内部转矩给定和电机的实际转矩送如转矩比较器，磁通给定调节器给出的内部磁通和实际磁通一起送入磁通比较器，这两个比较器得出的磁通和转矩再送入到优化脉冲选择器，由优化脉冲选择器得出开关位置命令，并将命令送入逆变器，控制逆变器的开关状态。PID优化脉冲选择器ASIC自适应的电机模型转矩给定调节器磁通给定调节器转矩比较器磁通比较器输出滤波器逆变器整流器M主电源图（6）ACS1000的直接转矩控制的功能图图（7）是为三相异步电动机供电的逆变器原理图。电压通过三个开关Sa、Sb、Sc,以不同的方式接到电动机。电动机的输入电压完全取决于这三个开关的切换模式。逆变器的八种可能的开关组合状态见表（2）。图（8）逆变器原理图状态01234567Sa01010101Sb00110011Sc00001111表（2）逆变器的开关组合状态逆变器的开关组合状态分为两类:一类是6种工作状态,表中的状态1~6。这时,三相绕组都被接到相同的电位。另一类是零态,表中的状态0和7。这两种状态也称电压输出状态和零电压状态。若U1(t)表示逆变器的输出电压状态的空间矢量,则逆变器的电压状态可由下列符号表示为:U1(0,1,1)U1(0,0,1)U1(1,0,1)U1(1,0,0)U1(1,1,0)U1(0,1,0)U1(0,0,0)U1(1,1,1)。图2为输入电压U1(t)用电压空间矢量表示的7种离散状态。它的特点是:逆变器的六个工作状态给出六个不同方向的电压矢量,周期性顺序出现,相邻的两个矢量相位差为60O;电压空间矢量幅值不变,六个矢量的顶点构成正六边形;六个电压空间矢量顺序沿逆时针方向旋转,零电压状态位于六边形的中心。图（8）输入电压空间矢量关系图（8）输入电压空间矢量关系由式(6)转矩公式可知,转矩T的大小与定子磁链1、转子磁链2的幅值和磁通角(t)的乘积成正比。通过改变磁通角(t)的大小来改变交流异步电动机的转矩。具体方法是由电压空间矢量U(t)来控制1的旋转速度,从而改变其平均速度1的大小,进而改变(t)的大小,达到控制转矩T的目的。设电动机的转矩给定值是T*,实际值为T。当T和T*相差较大时,尽可能使1的转速加快,从而增加转矩。反之,当T达到T*时,就要尽可能使转矩缓慢变化,减小逆变器的开关切换频率,也可以选用零电压矢量,使1运动暂停,让电动机进入再生制动状态,使得T迅速下降为T*。在直接转矩控制状态下,要兼顾保持T的偏差在T之内,1的偏差也在7之内。ACS1000的直接转矩控制采用的是闭环调节并且带有自适应的电机模型，这样就只需要采集电机的电压信号和电流信号，而不需要采集电机的速度（电机的运行速度通过自适应的电机模型计算得出）。在对电机的运行状态进行分析时就不需要对电机的旋转速度进行分析。由于电机的旋转速度是矢量，如果要对电机的速度进行分析就要对电机轴的角速度，线性速度和位置进行分析。这样就加大了变频器分析电机状态时的运算量，导致变频器反应变慢；由于要对电机速度进行控制这样就导致控制系统复杂化。因此，在ACS1000的无速度反馈直接转矩控制技术下，直接转矩控制系统变得更简单，变频器的响应更迅速。ACS1000的直接转矩控制系统中，自适应的电机模型每25毫秒就会采集一组电压信号和电流信号，这就意味着逆变器在1秒的时间