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   曹紅濤（1971-）


    男，甘肅西峰人，工學學士，電氣及自控高級工程師，1992年畢業于北方工業大學工業自動化儀表專業， 現就職于德和威（北京）環境工程有限公司。


    摘  要：變頻器以其客觀的節能效果而被廣泛推廣使用，特別是ABB變頻器的DTC控制技術更是交流傳動中革命性的電機控制方式，DTC在零速時產生滿轉矩，特別適用于污水處理行業中卡魯塞爾?氧化溝中表面曝氣設備的控制。

    關鍵詞：變頻技術；DTC（直接轉距控制）；表曝機；電機辨識

    Abstract: Frequency conversion technology is applied widely due to its obvious and objective energy saving function. Especially DTC technology of ABB company is a revolutionary control way in AC drive field. DTC technology can generate full torque at zero speed, and this function especially suits for surface aerator in the CARROUSEL ? oxygen process of waste water treatment.

   Key words: Frequency Conversion Technology; DTC; Surface Aerator; Motor Identification

   1 引言

   變頻調速以其優異的調速和起動性能，高效率、高功率因數和節電效果，應用范圍廣等諸多優點而被認為是最有發展的調速方式之一，利用變頻調速來實現污水處理行業的充氧量，則可以節約大量的電能。本文通過比較的方式闡述了變頻器的DTC控制技術的工作原理以及污水處理技術在卡魯塞爾?氧化溝中表面曝氣設備的應用實例。

   2 變頻技術的一個簡單發展歷程

    VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency，簡稱變頻調速）變頻器的控制相對簡單，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式輸出最大轉矩減小，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

    交流電機使用VVVF變頻技術及PWM的控制回路如圖1所示。  

                   圖1   交流電機使用VVVF變頻技術及PWM的控制回路

    矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子交流iA、iB、iC通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流iα、iβ，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流IM、IT(IM相當于直流電動機的勵磁電流，IT相當于與轉矩成正比的電樞電流)。交流電機使用矢量變頻技術及PWM的控制回路如圖2所示。

    矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。但是由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。  

                  圖2   交流電機使用矢量變頻技術及PWM的控制回路

    1985年，德國魯爾大學的Dcpenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。日前，該技術已成功地應用在的大功率交流傳動上。

    交流電機使用直接轉矩變頻技術的控制回路如圖3所示。

                          圖3   交流電機使用直接轉矩變頻技術的控制回路

    3 DTC變頻器的控制工作原理

    交流電機傳動系統中的直接轉矩控制技術是基于定子兩相靜止參考坐標系，一方面維持轉矩在給定值附近，一方面維持定子磁鏈沿著給定軌跡（預先設定的軌跡）運動，這對于交流電機的電磁轉矩與定子鏈接直接進行閉環控制。

    直接轉矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機與直流電動機進行比較、等效、轉化；既不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解藕而簡化交流電動機的數學模型，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換與計算，它所需要的信號處理工作比較簡單，所用的控制信號易于觀察者對交流電動機的物理過程作出直接和明確的判斷。

    直接轉矩控制的磁場定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。直接轉矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數學模型和控制各物理量，使問題簡單明了。

    這種直接轉矩控制方式具有以下特點：

    ·  非常簡單的控制結構；

    ·  非常快速的動態性能；

    ·  無需專門的PWM技術，把交流電機和逆變器結合在一起，對電機的控制最為直接，且能最大限度發揮逆變器的能力。

    4 ABB ACS800系列變頻器的技術特點

    ABB ACS800系列變頻器將DTC技術和模糊控制理論合二為一，構成高性能、低成本的變頻器調速產品，并且性能大大優于矢量控制變頻器。在DTC中，定子磁通和轉矩被作為主要的控制變量。高速數字信號處理器與先進的電機軟件模型相結合使電機的狀態以40,000次/s更新。由于電機狀態以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關狀態都是單獨確定的。這意味著其傳動系統可以產生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態變化做出快速響應。

    （1）精確速度控制。ACS800的動態轉速誤差在開環應用時為0.4%s，而矢量控制器在開環時大于0.8%s，閉環時為0.3%s。動態轉矩階躍響應時間，在開環時能達到1-5ms，而矢量控制器在閉環時需10-20ms，開環時為100-200ms。

    （2）零速滿轉矩。ACS800帶動的電機能夠獲得在零速時電機的額定轉矩。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實現滿力矩輸出。最大起動轉矩能達到200%的電機額定轉矩。 ACS800的自動起動特性超過一般變頻器的飛升起動和積分起動的性能，ACS800能在幾毫秒內測出電機的狀態，任何的條件下都可在0.48s內迅速起動。而矢量控制變頻器需大于2.2s。

    5 污水處理廠的使用環境

    在工業廢水處理領域，可采用各種處理步驟和工藝。對于多數的工業廢水處理設施而言，廢水處理系統包括預處理、生物處理和污泥處理工段，典型的污水處理廠的流程如圖4所示。

                            圖4   典型污水處理廠的流程圖

    預處理工段的主要目的在于調節均衡進水流量、去除進水中的SS (其中包括大量纖維、填料等)。

    生物處理工段乃至整個污水處理廠的核心是卡魯塞爾?氧化溝系統，其運行狀態在很大程度上決定了處理廠最終的出水水質。系統的曝氣設備采用了德和威(DHV)公司為卡魯塞爾?系列氧化溝專門研制開發的OXYRATOR?系列倒傘表曝機。在設計中，OXYRATOR?系列倒傘表曝機不僅僅只是單純的充氧設備，在DHV的專用工藝和水力模型中，更將該設備的機械動力性能(如功率、葉輪的尺寸形狀、轉速、浸沒深度等)和工藝性能(充氧能力、推流和混合的能量分配等)作為系統的有機組成部分來考慮。

    生物處理工段所產生的剩余污泥(生物污泥)將送至初沉池中，并與進水中的懸浮物(SS)在初沉池中一起沉淀下來并排出，送至生化污泥緩沖池，再由螺桿泵送至污泥處理工段的污泥濃縮脫水設備上處理。

    6 建立電機模型

    表面曝氣機屬于大轉矩啟動設備，同時表面曝氣機的沖擊負荷也很大。其中曝氣葉輪絕大部分完全浸沒在流動速度為0.6m/s流動的水中啟動一瞬間設備作用力包括如下幾方面：

    ·  流動的水面向上的浮力，由于葉輪并不是完全浸沒在水中，所以存在一個水面向上的浮力，這個浮力由于葉輪跟葉輪進入水面的深度有很大的聯系，同時也和不同運行時期水面的變化而變化；

    ·  葉輪向下的作用力，由于重力的作用，而且具體項目中葉輪的尺寸是不一致，葉輪向下的作用力也是不一樣的；

    ·  水流和側壁陣發的側向力(沖擊荷載)，葉輪的直徑最大可以達到3750mm，同時葉輪和相鄰的混凝土構筑物的距離大約在100mm,所以葉輪在運行過程，會激起大量的水流，最后水流和側壁會對葉輪產生陣發的側向力；

    ·  負荷變化比較劇烈，由于水流沖擊負荷和液面高度的不穩定，上述設備的負荷變化比較劇烈。

    由于上述設備的受力情況非常特殊，所以必須需要經過DHV的專用計算程序計算設備的受力情況，表面曝氣機的受力結構如圖5。

    7 系統調試

    DTC控制需要精確的電機模型，ACS800系列變頻器具有獨特的電機辨識功能，在運行中，ACS800將辨識電機的特性已尋找最優的電機控制策略。作為常規調試的一部分，電機要進行電機識別運行。將電機的基本數據輸入到變頻器之后，以手動方式啟動電機進行識別運行，識別運行期間，變頻器通過檢測電動機對所施加電源的響應建立精確的電動機模型，確定電機定子與激磁電抗Ls與Lm以及定子電阻R, 并考慮電機的飽和效應，可算出定子磁通、實時力矩、軸轉速。DTC控制器就是利用這個模型精確地控制變頻器和電動機的運行。

    DTC和電機的磁通和轉矩核心概念圖解如圖6所示。

                         

                          圖6   DTC和電機的磁通和轉矩核心概念圖

    8 結束語

    ABB DCS800系列變頻器結合了DTC技術和模糊控制理論，此特點特別適合于卡魯塞爾?氧化溝工藝中的表曝機的控制。由于表曝機啟動轉距非常大，所以需要重載啟動。選用普通的變頻起就必須選大一檔，比如160kW的電機就必須選用200kW的變頻器，或者選用專門適用于重載負荷系列變頻器，但是ABB DCS800的變頻器選型的時候可直接選擇160kW的變頻器，通過幾個項目的使用，目前運行良好。

    同時由于表曝機運行時負荷變化較大，沖擊負荷較多，經常產生大量的沖擊負荷，針對這個特點，由于DTC 建立了精確的電機模型，同時變頻器具有獨特的電機辨識功能，在運行中，ACS800將辨識電機的特性以尋找最優的電機控制策略。而且DTC變頻控制技術的快速反應時間也提高了自動化控制的準確性。

    其它作者：張軍（1976-），男，黑龍江拜泉人，工學學士， 助理工程師，2001年畢業于燕山大學機電一體化專業，  現就職于德和威（北京）環境工程有限公司。

    參考文獻：

    [1] 李華德. 交流調速控制系統[M]. 電子工業出版社，2003.

    [2] ABB drive Technical guide book 3AFE64514482 REV D.EFFETIVE 21.7.2008.



                                                        源自：《自動化博覽》