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   曹紅濤（1971-）


    男，甘肅西峰人，工學(xué)學(xué)士，電氣及自控高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化儀表專業(yè)， 現(xiàn)就職于德和威（北京）環(huán)境工程有限公司。


    摘  要：變頻器以其客觀的節(jié)能效果而被廣泛推廣使用，特別是ABB變頻器的DTC控制技術(shù)更是交流傳動(dòng)中革命性的電機(jī)控制方式，DTC在零速時(shí)產(chǎn)生滿轉(zhuǎn)矩，特別適用于污水處理行業(yè)中卡魯塞爾?氧化溝中表面曝氣設(shè)備的控制。

    關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；DTC（直接轉(zhuǎn)距控制）；表曝機(jī)；電機(jī)辨識(shí)

    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(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有發(fā)展的調(diào)速方式之一，利用變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)污水處理行業(yè)的充氧量，則可以節(jié)約大量的電能。本文通過(guò)比較的方式闡述了變頻器的DTC控制技術(shù)的工作原理以及污水處理技術(shù)在卡魯塞爾?氧化溝中表面曝氣設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例。

   2 變頻技術(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單發(fā)展歷程

    VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency，簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速）變頻器的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式輸出最大轉(zhuǎn)矩減小，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)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(diào)速。

    交流電機(jī)使用VVVF變頻技術(shù)及PWM的控制回路如圖1所示。  

                   圖1   交流電機(jī)使用VVVF變頻技術(shù)及PWM的控制回路

    矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流iA、iB、iC通過(guò)三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流iα、iβ，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流IM、IT(IM相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，IT相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)。交流電機(jī)使用矢量變頻技術(shù)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(shí)代的意義。但是由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。  

                  圖2   交流電機(jī)使用矢量變頻技術(shù)及PWM的控制回路

    1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的Dcpenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)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(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。日前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在的大功率交流傳動(dòng)上。

    交流電機(jī)使用直接轉(zhuǎn)矩變頻技術(shù)的控制回路如圖3所示。

                          圖3   交流電機(jī)使用直接轉(zhuǎn)矩變頻技術(shù)的控制回路

    3 DTC變頻器的控制工作原理

    交流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是基于定子兩相靜止參考坐標(biāo)系，一方面維持轉(zhuǎn)矩在給定值附近，一方面維持定子磁鏈沿著給定軌跡（預(yù)先設(shè)定的軌跡）運(yùn)動(dòng)，這對(duì)于交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子鏈接直接進(jìn)行閉環(huán)控制。

    直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較、等效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解藕而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算，它所需要的信號(hào)處理工作比較簡(jiǎn)單，所用的控制信號(hào)易于觀察者對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的物理過(guò)程作出直接和明確的判斷。

    直接轉(zhuǎn)矩控制的磁場(chǎng)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(cè)出來(lái)。直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問(wèn)題簡(jiǎn)單明了。

    這種直接轉(zhuǎn)矩控制方式具有以下特點(diǎn)：

    ·  非常簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)；

    ·  非?？焖俚膭?dòng)態(tài)性能；

    ·  無(wú)需專門的PWM技術(shù)，把交流電機(jī)和逆變器結(jié)合在一起，對(duì)電機(jī)的控制最為直接，且能最大限度發(fā)揮逆變器的能力。

    4 ABB ACS800系列變頻器的技術(shù)特點(diǎn)

    ABB ACS800系列變頻器將DTC技術(shù)和模糊控制理論合二為一，構(gòu)成高性能、低成本的變頻器調(diào)速產(chǎn)品，并且性能大大優(yōu)于矢量控制變頻器。在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。高速數(shù)字信號(hào)處理器與先進(jìn)的電機(jī)軟件模型相結(jié)合使電機(jī)的狀態(tài)以40,000次/s更新。由于電機(jī)狀態(tài)以及實(shí)際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的。這意味著其傳動(dòng)系統(tǒng)可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。

    （1）精確速度控制。ACS800的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開(kāi)環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.4%s，而矢量控制器在開(kāi)環(huán)時(shí)大于0.8%s，閉環(huán)時(shí)為0.3%s。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間，在開(kāi)環(huán)時(shí)能達(dá)到1-5ms，而矢量控制器在閉環(huán)時(shí)需10-20ms，開(kāi)環(huán)時(shí)為100-200ms。

    （2）零速滿轉(zhuǎn)矩。ACS800帶動(dòng)的電機(jī)能夠獲得在零速時(shí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。而矢量控制變頻器只能在接近零速時(shí)實(shí)現(xiàn)滿力矩輸出。最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能達(dá)到200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。 ACS800的自動(dòng)起動(dòng)特性超過(guò)一般變頻器的飛升起動(dòng)和積分起動(dòng)的性能，ACS800能在幾毫秒內(nèi)測(cè)出電機(jī)的狀態(tài)，任何的條件下都可在0.48s內(nèi)迅速起動(dòng)。而矢量控制變頻器需大于2.2s。

    5 污水處理廠的使用環(huán)境

    在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域，可采用各種處理步驟和工藝。對(duì)于多數(shù)的工業(yè)廢水處理設(shè)施而言，廢水處理系統(tǒng)包括預(yù)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(yù)處理工段的主要目的在于調(diào)節(jié)均衡進(jìn)水流量、去除進(jìn)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(gè)污水處理廠的核心是卡魯塞爾?氧化溝系統(tǒng)，其運(yùn)行狀態(tài)在很大程度上決定了處理廠最終的出水水質(zhì)。系統(tǒng)的曝氣設(shè)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(kāi)發(fā)的OXYRATOR?系列倒傘表曝機(jī)。在設(shè)計(jì)中，OXYRATOR?系列倒傘表曝機(jī)不僅僅只是單純的充氧設(shè)備，在DHV的專用工藝和水力模型中，更將該設(shè)備的機(jī)械動(dòng)力性能(如功率、葉輪的尺寸形狀、轉(zhuǎn)速、浸沒(méi)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(tǒng)的有機(jī)組成部分來(lái)考慮。

    生物處理工段所產(chǎn)生的剩余污泥(生物污泥)將送至初沉池中，并與進(jìn)水中的懸浮物(SS)在初沉池中一起沉淀下來(lái)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(shè)備上處理。

    6 建立電機(jī)模型

    表面曝氣機(jī)屬于大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)設(shè)備，同時(shí)表面曝氣機(jī)的沖擊負(fù)荷也很大。其中曝氣葉輪絕大部分完全浸沒(méi)在流動(dòng)速度為0.6m/s流動(dòng)的水中啟動(dòng)一瞬間設(shè)備作用力包括如下幾方面：

    ·  流動(dòng)的水面向上的浮力，由于葉輪并不是完全浸沒(méi)在水中，所以存在一個(gè)水面向上的浮力，這個(gè)浮力由于葉輪跟葉輪進(jìn)入水面的深度有很大的聯(lián)系，同時(shí)也和不同運(yùn)行時(shí)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(xiàng)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(cè)壁陣發(fā)的側(cè)向力(沖擊荷載)，葉輪的直徑最大可以達(dá)到3750mm，同時(shí)葉輪和相鄰的混凝土構(gòu)筑物的距離大約在100mm,所以葉輪在運(yùn)行過(guò)程，會(huì)激起大量的水流，最后水流和側(cè)壁會(huì)對(duì)葉輪產(chǎn)生陣發(fā)的側(cè)向力；

    ·  負(fù)荷變化比較劇烈，由于水流沖擊負(fù)荷和液面高度的不穩(wěn)定，上述設(shè)備的負(fù)荷變化比較劇烈。

    由于上述設(shè)備的受力情況非常特殊，所以必須需要經(jīng)過(guò)DHV的專用計(jì)算程序計(jì)算設(shè)備的受力情況，表面曝氣機(jī)的受力結(jié)構(gòu)如圖5。

    7 系統(tǒng)調(diào)試

    DTC控制需要精確的電機(jī)模型，ACS800系列變頻器具有獨(dú)特的電機(jī)辨識(shí)功能，在運(yùn)行中，ACS800將辨識(shí)電機(jī)的特性已尋找最優(yōu)的電機(jī)控制策略。作為常規(guī)調(diào)試的一部分，電機(jī)要進(jìn)行電機(jī)識(shí)別運(yùn)行。將電機(jī)的基本數(shù)據(jù)輸入到變頻器之后，以手動(dòng)方式啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行識(shí)別運(yùn)行，識(shí)別運(yùn)行期間，變頻器通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)對(duì)所施加電源的響應(yīng)建立精確的電動(dòng)機(jī)模型，確定電機(jī)定子與激磁電抗Ls與Lm以及定子電阻R, 并考慮電機(jī)的飽和效應(yīng)，可算出定子磁通、實(shí)時(shí)力矩、軸轉(zhuǎn)速。DTC控制器就是利用這個(gè)模型精確地控制變頻器和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

    DTC和電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩核心概念圖解如圖6所示。

                         

                          圖6   DTC和電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩核心概念圖

    8 結(jié)束語(yǔ)

    ABB DCS800系列變頻器結(jié)合了DTC技術(shù)和模糊控制理論，此特點(diǎn)特別適合于卡魯塞爾?氧化溝工藝中的表曝機(jī)的控制。由于表曝機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)距非常大，所以需要重載啟動(dòng)。選用普通的變頻起就必須選大一檔，比如160kW的電機(jī)就必須選用200kW的變頻器，或者選用專門適用于重載負(fù)荷系列變頻器，但是ABB DCS800的變頻器選型的時(shí)候可直接選擇160kW的變頻器，通過(guò)幾個(gè)項(xiàng)目的使用，目前運(yùn)行良好。

    同時(shí)由于表曝機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷變化較大，沖擊負(fù)荷較多，經(jīng)常產(chǎn)生大量的沖擊負(fù)荷，針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，由于DTC 建立了精確的電機(jī)模型，同時(shí)變頻器具有獨(dú)特的電機(jī)辨識(shí)功能，在運(yùn)行中，ACS800將辨識(shí)電機(jī)的特性以尋找最優(yōu)的電機(jī)控制策略。而且DTC變頻控制技術(shù)的快速反應(yīng)時(shí)間也提高了自動(dòng)化控制的準(zhǔn)確性。

    其它作者：張軍（1976-），男，黑龍江拜泉人，工學(xué)學(xué)士， 助理工程師，2001年畢業(yè)于燕山大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)，  現(xiàn)就職于德和威（北京）環(huán)境工程有限公司。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 李華德. 交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M]. 電子工業(yè)出版社，2003.

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



                                                        源自：《自動(dòng)化博覽》