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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(yè)于北方工業(yè)大學工業(yè)自動化儀表專業(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)更是交流傳動中革命性的電機控制方式，DTC在零速時產(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；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(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，應用范圍廣等諸多優(yōu)點而被認為是最有發(fā)展的調(diào)速方式之一，利用變頻調(diào)速來實現(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)備的應用實例。

   2 變頻技術(shù)的一個簡單發(fā)展歷程

    VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency，簡稱變頻調(diào)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(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應用。但是，這種控制方式輸出最大轉(zhuǎn)矩減小，動態(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(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)。交流電機使用矢量變頻技術(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代的意義。但是由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)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(zhuǎn)變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。  

                  圖2   交流電機使用矢量變頻技術(shù)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(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、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。日前，該技術(shù)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(zhuǎn)矩變頻技術(shù)的控制回路如圖3所示。

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

    3 DTC變頻器的控制工作原理

    交流電機傳動系統(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（預先設(shè)定的軌跡）運動，這對于交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩與定子鏈接直接進行閉環(huán)控制。

    直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機與直流電動機進行比較、等效、轉(zhuǎn)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(shù)學模型，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學模型和控制各物理量，使問題簡單明了。

    這種直接轉(zhuǎn)矩控制方式具有以下特點：

    ·  非常簡單的控制結(jié)構(gòu)；

    ·  非常快速的動態(tài)性能；

    ·  無需專門的PWM技術(shù)，把交流電機和逆變器結(jié)合在一起，對電機的控制最為直接，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

    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)字信號處理器與先進的電機軟件模型相結(jié)合使電機的狀態(tài)以40,000次/s更新。由于電機狀態(tài)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(guān)狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著其傳動系統(tǒng)可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應。

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

    （2）零速滿轉(zhuǎn)矩。ACS800帶動的電機能夠獲得在零速時電機的額定轉(zhuǎn)矩。而矢量控制變頻器只能在接近零速時實現(xiàn)滿力矩輸出。最大起動轉(zhuǎn)矩能達到200%的電機額定轉(zhuǎn)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(nèi)測出電機的狀態(tài)，任何的條件下都可在0.48s內(nèi)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(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(diào)節(jié)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(tǒng)，其運行狀態(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發(fā)的OXYRATOR?系列倒傘表曝機。在設(shè)計中，OXYRATOR?系列倒傘表曝機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)備的機械動力性能(如功率、葉輪的尺寸形狀、轉(zhuǎn)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(tǒng)的有機組成部分來考慮。

    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(shè)備上處理。

    6 建立電機模型

    表面曝氣機屬于大轉(zhuǎn)矩啟動設(shè)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(shè)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(lián)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(cè)壁陣發(fā)的側(cè)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(gòu)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(cè)壁會對葉輪產(chǎn)生陣發(fā)的側(cè)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(wěn)定，上述設(shè)備的負荷變化比較劇烈。

    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DHV的專用計算程序計算設(shè)備的受力情況，表面曝氣機的受力結(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(yōu)的電機控制策略。作為常規(guī)調(diào)試的一部分，電機要進行電機識別運行。將電機的基本數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩核心概念圖解如圖6所示。

                         

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

    8 結(jié)束語

    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(zhuǎn)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(jīng)常產(chǎn)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(yōu)的電機控制策略。而且DTC變頻控制技術(shù)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(yè)于燕山大學機電一體化專業(yè)，  現(xiàn)就職于德和威（北京）環(huán)境工程有限公司。

    參考文獻：

    [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：《自動化博覽》