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1、ACS600变频器的故障诊断与对策研究结题报告 上海东大自动化有限公司编制目 录第一章 变频器的原理与应用3一、变频器的分类3 1、按变换的环节分类3 2、按直流电源性质分类4二、变频调速的基本控制方式5 1、 基频以下调速6 2、 基频以上调速6第二章 IGBT元件的使用7一、IGBT的安全工作区7二、IGBT的过流保护8 1、识别时间10 2、保护时的关断速度问题10三、IGBT的过电压保护11第三章ACS600变频器的基本构造、特点和性能13一、高线轧钢生产工艺简介13二、ACS600多传动在高线轧钢生产线中的应用14三、ACS600变频器的产品结构15 1、整流单元TSU15 2、逆变
2、器部分16四、直接转矩控制技术19五、ACS 600的重要性能23 1、ACS600 Multidrive的特点.23 2、ACS 600的直接转矩控制(DTC)24第四章 数据采集与分析27一、正常工作时的数据采集与分析27二、起动过程的数据记录与分析31三、直流电压的谐波分析36四、制动研究42五、用示波器监测IGBT的工作情况43第五章 ACS600变频器的故障诊断与对策47一、交-直-交系统通常发生的故障分析47二、ACS600多传动过电流故障分析48 1、正常轧钢时过电流分析及对策49 2、起动时容易过电流分析及对策59三、IGBT的损坏与保护63 1、IGBT损坏的原因63 2、I
3、GBT 的保护63第六章 ACS600变频设备的最优库存量65第七章结论篇68一、主要故障的原因68二、解决的措施69 1、负载扰动69 2、脉冲编码器故障对策70 3、起、制动过电流对策70 4、改变IGBT电压等级70三、其他故障分析及对策71四、项目实施前后的效果对比72附录 设 备 清 单73- 75 -第一章 变频器的原理与应用 变频技术随着微电子学，电力电子技术、电子计算机、自动控制理论等的发展，已进入一个崭新的时代，其应用范围几乎扩大到各种用电场合和设备。其优越性不仅是节能，而且也是一种崭新的控制手段。它可改变原有的生产工艺更规范化，使各种工艺参数都处于最佳状态，对实现自动化，提
4、高企业产品质量，生产效率，产品合格率，延长设备使用寿命，减少维修费用，都起着非常重要的作用。它广泛应用于工业，企业和民用建筑辅助设施等行业。 变频是利用大功率电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型功率晶体管IGBT)将380V、50Hz的市电变换为用户所要求的交流电源或其他电源。电力电子器件多用IGBT。IGBT允许的开关频率可达几十千赫兹，在通用变频器中，一般不追求过高的开关频率，常用8kHz以下。对一般工业用变频器3kHz较好。对于2000kW以上变频器，要么采用器件串并联，要么采用多重化技术，但技术难度大。在这一功率段多用交-交变频器。近年来开发了一种IGCT(集成门极换相晶闸管)，
5、它的电流、电压和通态压降与GTO相同，而开关频率和触发功率与IGBT相当，是开发大功率、中电压的理想变频器件。 目前在开发中、小功率,频率400Hz以上的单、三相正弦波电源上，还存在技术难题，有待进一步研究。一、变频器的分类 1、按变换的环节分类可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。交-直-交型变频器包括两个变换环节，即整流和逆变，存在中间直流环节，所以又称间接变压变频装置。交交型变频器只有一个变换环节，同时完成电
6、压和频率的变换。ACS600变频器属于交-直-交型变频器。 2、按直流电源性质分类 A、电流型变频器，特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器 (电流型)。电流型变频器的特点(优点)是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。 B、电压型变频器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器
7、件分类，按输入电压高低分类。 交-直-交型变频器可以看成由六个分系统组合而成：主回路、整流、控制、驱动、逆变、通风散热。MId50HZCd 图1-1 反并联逆变桥的电压型变频器 从变频电源的性质上看，又可以将变频器分为电压源型和电流源型，两者的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。DC侧电抗器用于平波DC侧电流，起限流作用，电感量很小。直流电源并联大容量滤波电容器Cd，由于存在这个大电容，直流输出电压具有电压源特性，内阻很小，这使逆变器的交流输出电压被钳位为矩形波，与负载性质无关。这种变频器属于交-直-交电压源型变频器，交流输出电流的波形与相位则由负载功率因数决定。这个大电容有时又是缓冲
8、负载无功功率的储能元件。二、变频调速的基本控制方式 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机每极磁通为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 对于异步交流电动机，怎样保持磁通恒定呢？三相异步电动机每相电动势的有效值是 Eg=4.44f1N1kN1 fm (2-1) 式中 Eg气隙磁通在定子中感应电动势的有效值(V)； f1定子频率； N1定子每相绕组串联匝数； kN1基波绕组系数； fm 每极气隙磁通(Wb)。由式(2-1)可知，只要控制好 Eg和f1 便可达到控制磁通fm
9、的目的，对此，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。鼠笼型异步电机的的转速表达式为：式中电机定子的频率； p 电机定子的绕组极对数； s 转差率，可由下式求得：式中 ns同步转速 ，所以若均匀地改变定子供电频率，则可以平滑地改变电机的同步转速。 1、 基频以下调速 由式(2-1)可知，要保持fm 不变必须保证 Eg/f1=常值 (2-2) 即采用恒定的电动势频率比的控制方式，磁通是恒定的，则转矩也恒定。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1 Eg ， 则得 U1/f1=常值 (2-3) 这是恒压频比的控制方式。
10、 低频时，U1和Eg 都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压 U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 基频以下因为转矩恒定，属于“恒转矩调速”性质。 2、 基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从f1N 往上增高，但电压U1 却不能超过额定电压U1N ，最多只能保持U1N 。由于频率提高而电压不变，由式(2-1)可知，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于弱磁增速。可以认为输出功率基本不变。基频以上属于“恒功率调速”性质，变频器输出的电流为： 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得下图所示的异步电机变压变频调速控制特性。恒转矩调速恒功率调速U1NU1,
11、 fm f1NfmNfmf1 图1-2 变频调速控制特性第二章 IGBT元件的使用80年代未，IGBT开始向智能功率模块发展，现已发展到第三代。各代的内置功能如下：第一代包括：连接功率器件和控制电压的接口电路；过电流保护电路、过热保护电路。第二代包括：第一代内置功能；上、下支路的信号分配电路(防上、下支路间短路)；电路用电源。第三代包括：第二代的内置功能；PWM控制电路；过载变换(负载和模块自身保护电路)；过电压保护电路(直流电压异常增加时，模块本身的保护电路)。第三代IGBT智能功率模块具有逆变器的基本功能，使应用系统的设计更为简化，装置的零部件大为减少，可靠性得以提高。由于使用不当或驱动电
12、路(装有保护)不好等原因经常会损坏IGBT，甚至发生爆炸，IGBT在使用中损坏的较多的原因是过电流和过电压击穿和锁定。一、IGBT的安全工作区IGBT的安全工作区反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力。IGBT开通时的正向偏置安全工作区 (FBSOA)，由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大漏极电流Idm是根据避免动态擎住而设定的，最大漏源电压Udsm是由IGBT 中晶体管V3的击穿电压所确定，最大功耗则是由最高允许结温所决定。导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，如图2-1(a)所示。当IdIdm时，便会产生擎住效应，这时漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏。由此可知，漏级
13、电流有一个临界值Idm，大于此值IGBT会产生擎住效应，漏极通态电路的连续值超过临界值时产生的擎住效应成为静态擎住效应。IGBT在关断的过程中也可能因为dVds/dt过高，形成动态擎住效应。IGBT关断时为反向偏置，其安全工作区称为反向偏置安全工作区RBS0A。IGBT的反向偏置安全工作区随 IGBT关断时的dVDs/dt而定，dVDs/dt越高，安全工作区越窄。如图2-1(b)所示。IdUDSM1000V/s2000V/s3000V/sduDS/dtt=100s10sDCtUDSMIdmUdmId（A） (a)IGBT的正向偏置安全工作区 (b) IGBT的反向偏置安全工作区图2-1 IGB
14、T的安全工作区 将IGBT用于电力变换器时，应采取保护措施以防损坏器件，常用的保护措施有：(1) 通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护；(2) 利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv/dt；(3) 利用温度传感器检没IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。 二、IGBT的过流保护 在使用IGBT时，除了按照系统要求的最大工作电压和最大工作电流所确定的安全工作区正确选择容量合造的IGBT模块外，最重要的环节就是要设计高性能的驱动电路和过流保护电路。下面着重讨论因短路而产生的过电流及其保护措施。IGBT由于寄生晶闸管的影响，当流过IGBT的电流过大时，会产生不可控
15、的擎住效应。实际应用中应使IGBT的漏极电流不超过额定电流，以避免出现擎住现象。一旦主电路发生短路事故，IGBT由饱和导通区进入放大区，漏极电流ID并未大幅度增加，但此时漏极电压很高，IGBT的功耗很大。短路电流能持续的时间 t则由漏极功耗所决定。这段时间与漏极电源电压VDD、门极电压VGS 以及结温Tj 密切相关。随着电源电压的增加，允许短路过电流时间t减小。在负载短路过程中，漏极电流iD 也随门极电压+VGS 的增加而增加，并使IGBT允许的短路时间缩短。由于允许的短路时间随门极电压的增加而减小，所以，在有短路过程的设备中，IGBT的+VGS 应选用所必须的最小值。必须指出，在允许的短路时
16、间内，IGBT工作在放大区，漏极电流波形与门极输入电压波形很相似。图2-2给出了2MBI50060型IGBT模块的试验电路和电压、电流波形。测试条件为：VGS 为20V ，V DD为400V。图2-2a为测试电路，图2-2b为VGS 与ID 的波形，图2-2c为VDS 与ID 的波形，漏极电压在短时间内下降之后，很快恢复到电源电压VDD 的电平。如此高电压与电流的乘积即为短路功耗，由此决定IGBT的允许短路时间。4mAm驱动电路0V+20V (a)VGS(V)51015481216T(s)200400481216VDS(V)T(s)100200481218ID(A)T(s)1002004812
17、16ID(A)T(s) (b) (c)(b) (c) (a)IGBT电路图 (b)VGS和ID(A)波形 (c)VGS和ID (A) 图2-2 短路时VDS、 VGS和ID(A)的波形波形 对IGBT的过电流保护的第一种方法是采用漏极电压的识别方法。在正常工作时IGBT的通态饱和电压降Von 与漏极电流ID 呈近似线性变化的关系，识别Von 的大小即可判断IGBT漏极电流的大小。IGBT的结温升高后，在大电流情况下通态饱和压降增加，这种特性有利于过电流识别保护。通常用漏极电压与门极驱动信号相“与”后输出过电流信号，将此过电流信号反馈至主控电路切断门极信号，以保护IGBT不受损坏。具体应用中尚须
18、注意以下两个问题。1、识别时间 从识别出过电流信号至切断门极信号的这段时间必须小于IGBT允许短路过电流的时间 。前已述及，IGBT对短路电流的承受能力与其饱和管压降的大小和门极驱动电压VGS 的大小有很大关系。饱和压降越大，短路承受能力越强；VGS 越小，短路承受能力越强。对于饱和压降为23V的IGBT，当VGS =15V时，其短路承受能力仅为5s。为了有效保护IGBT，保护电路必须在2s内动作，这样短的反应时间往往使保护电路很难区分究竟是真短路还是“假短路”(例如续注二极管反向恢复过程，其时间就在12s之间)，这就对整个系统的可靠性带来不利的影响。为此不仅应采取快速光耦合器件VL及快速传送
19、电路；而且有必要利用降低门极电压以使IGBT承受短路能力增加这一特性。当VGS 由15V降至10V时，其短路承受能力则由5s增至15s。这样，保护电路动作就可延时10s。这时如果短路仍存在，则认为是真短路，完全关断IGBT；如果短路消失，就是“假短路”，就把VGS 由10V恢复到正常值15V，从而既可有效保护IGBT，又不误动作。2、保护时的关断速度问题 由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度很快，如果按正常时的关断速度，就会造成Ldi/dt 过大形成很高的尖峰电压，极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采取措施使IGBT进行“慢速关断”。
20、当检测到真短路时，驱动电路在关断IGBT时，必须让门极电压较慢地由15V下降，如图2-3所示。正常工作情况下,整个开通或关断时间为100ns到2s之间。另一种过电流保护电路原理是当IGBT的漏极电流小于限流阈值时，比较器的同相端电位低于反相端电位，其输出为低电平，驱动信号将IGBT关断。这时IGBT仅受驱动信号控制。ICIC过电流慢速切断常态快速切断图2-3 关断过程当导通的IGBT的源极电流超过限流阈值，电流以电流互感器T、二极管VD3 在电阻上产生的压降传送到比较器的同相端，其电位将超过反相端电位，比较器输出由低电平翻转到高电平，使一个三极管迅速关断，阻断了驱动信号传送到IGBT的门极；同
21、时相关电路将IGBT的门极电荷迅速泄放，使IGBT关断；正反馈电阻使比较器在IGBT过电流被关断后保持输出高电平，以确保IGBT在本次开关周期内不再导通。当驱动信号由高电平变为低电平，比较器输出端随之变为低电平，同相端电位下降并低于反相端电位，过电流保护电路复位，为下一个开关周期的正常运行和过电流保护做好准备。当驱动信号再次变为高电平时，驱动IGBT导通，如IGBT的源极电流不超过限流阈值则过电流保护电路不动作；如电流超过限流阈值，则过电流保护电路动作将IGBT再次关断。 三、IGBT的过电压保护 过电压的保护相比之下较为简单，通常利用缓冲电路抑制过电压。 在正常工作情况下，栅极驱动电压加至I
22、GBT的栅源极之间，使IGBT开通，整个开通过程的时间大约在100ns到2s之间。利用缓冲电路抑制过电压的接线方式如图2-4所示。图2-4适于200A以下中等容量的IGBT。现场使用的PNRsCa图 2-4 IGBT的缓冲电路IGBT的额定电流为180A。缓冲电路电容(CS )可由下式求得 (1)式中 L主回路杂散电感； I0 IGBT关断时的漏极电流； VCEP 缓冲电容CS的电压稳态值； E d 直流电源电压。VCEP 由RBSOA确定，必须注意电流不同时所引起的电压差异。缓冲电路电阻RS的选择是按希望IGBT在关断信号到来之前，将缓冲电容所积累的电荷放净。可由下式估算 (2)式中 f 关
23、断频率。 如果缓冲电路电阻过小，会使电流波动，IGBT开通时的漏极电流初始值将会增大，因此，在满足式(2)的前提下，希望选取尽可能大的阻值，缓冲电阻上功能与其阻值无关，可由下式求出 (3)式中 LS缓冲电路的电感。第三章 ACS600变频器的基本构造、特点和性能一、高线轧钢生产工艺简介线材生产工艺过程包括原料准备、加热、轧制、控制冷却及精整等工序，整个生产工艺过程是连续的、自动化的。由初轧厂及电炉连铸厂供给合格钢坯，钢坯在加热炉内加热到9201050，由炉内出炉辊道逐根送出炉外，经大流量快速高压水除磷、保温辊道后进入轧机轧制。轧件在精轧、中轧、预精轧、精轧、减定径机组共30个机架中进行连续轧制
24、，轧成225mm线材。根据轧制规格不同，轧制道次和使用机架数也不同。成品最大保证轧制速度110m/s。为使轧制顺利进行，减少事故及处理事故时间，在6#、12#机架后设有切头切废飞剪，在精轧机组前设有切头飞剪和废品碎断剪；在粗轧、预精轧、精轧、减定径机组前设有事故卡断剪。为获得好的产品表面质量，轧件全线无扭轧制，并在椭圆断面轧件进入轧机侧采用滚动导卫诱入。为获得好的产品尺寸精度，在第1#11#机架间采用微张力轧制，在11#机架至精轧机间采用交活套或水平活套装置实现无张力轧制。为获得好的冶金性能，在精轧机组和减定径机组前后分别设有水冷段对轧件进行闭环控制冷却，将进入精轧机组的轧件温度控制在8009
25、50，进入减定径机组的温度控制在750975，以实现低温高速控制轧制。为控制产品表面质量和尺寸精度，在精轧机组后设有涡流探伤装置，在精轧机之前以及减定径机之后设有测径装置，以便对轧件进行连续监控，快速反馈。轧机主要由1H6V的六机架精轧机组、7H14V的八架中轧机组、15H18V的四机架预精轧机组，19#26#机架的八机架无扭精轧机组，27#30#四机架减定径机组组成。其中粗、中轧机组为平立交替轧机，预精轧机组为平一立交替的悬臂式轧机，精轧机组为45顶悬臂式轧机，减定径机组为45顶悬臂式轧机。粗中轧机及减定径机可以由换辊装置运送到离线位置进行换辊操作，而预精轧机组及精轧机组没有此项功能，只能在
26、在线位置进行辊环更换。其中,粗、中、预精轧区(118#机架)传动采用了ACS600多传动变频器。粗、中轧区预精轧区入炉加热 区13HV91H6V97H11H12V11121314V14161516V11715HV17H1818V19209、1#卡断剪；10、1145mm曲柄飞剪；11、立活套；12、700m飞剪；13、立活套；14、立活套；15、侧活套；16、2#卡断剪；17、立活套；18、立活套；19、立活套；20、水箱 图3-0 高线轧线工艺流程图(粗中轧与预精轧)二、ACS600多传动在高线轧钢生产线中的应用 高线轧线前十八机架(粗轧和预精轧)的主传动和辅传动皆采用共用整流变压器/共用D
27、C母线的供电方式，这样有利于提高整流设备的供电效率。共用的整流单元采用ACA系列全数字式整流装置。逆变单元采用ACA系列全数字式DTC逆变器，其功率元件采用IGBT。瑞典ABB公司的ACA系列电气传动装置除完成电气传动功能以外，其装置内设置的CPU微处理器能完成轧线分散式控制功能，与ABB-Advant系列的控制器、操作站、过程机站一起，共同组成真有量直集成和水平集成的集散型自动化控制系统。如图3-1所示。图3-1 ACS600自动控制系统三、ACS600变频器的产品结构ACS600大体上可分为四部分：供电部分(Supply Unit)、制动部分(Braking Section)、逆变部分(D
28、rive Section)、控制部分（Control Section）。1、整流单元TSU前16机架共用一套整流装置，共用直流母线。采用共用DC母线方式，具有以下优点:(1) 采用单个整流单元，结构紧凑。 (2) 节约空间(3) 在整组传动中共用再生能量，每个单机的再生能量可以备充分利用。ACS600的供电部分即整流部分有三种，DSU、TSU和ISU，DSU为用二极管整流，TSU为用三极管整流，ISU为用IGBT作整流元件，我们现场采用的是TSU(可控硅整流单元)，在整流电路中设置这两组并联的六脉冲桥，一组称为电动桥，另一组称为再生桥，即反并联的逆变桥，Id可以借助于反并联三相桥(工作在有源逆
29、变状态，90)改变方向使再生电能回馈到交流电网。这是大容量系统通常的用法，如图3-2所示。TSU能把制动能量反馈到电网侧，既可节约能量又加快电机的制动过程。图3-2 整流系统结构示意图在TSU中有一微处理板，它能提供AC/DC电压、电流测量值及各种故障信息，如缺相，可控桥过热和接地等信息，这些都是通过光纤TC通讯得到的。2、逆变器部分ACS600多传动系列变频器包括十一个不同容量的逆变器单元。(R2i toR12i)。小容量的标准逆变器每个柜子可以容纳1-3个逆变单元，大容量的逆变器模块是并联的，占几个柜子(2X or 4S R11i/R12i)。每一个逆变器有一个Drive Control
30、Unit(DCU)，包括AMC控制板和标准I/O板。AMC具有4个DDCS光纤通讯接口，可以和外部PC机等工具相连，如图3-3所示。逆变器有内置的电容用于平滑直流母线的电压，用熔断器联接到母排上，逆变器可以选用不同的I/O扩展模块用于不同功能，如控制、监视、测量等，现场还装有脉冲编码器模块。 图3-3 ACS600的 DDCS通讯从图3-4可以看出，整个控制功能由许多电路板来实现的，它们包括AMC板(NAMC)、I/O板(NIOC)、电源板(NPOW)、门驱动板(NGDR)、INT板等组成。其中，I/O板是连接用户和逆变器的桥梁。与AMC板CH1通道相连的NIOC板为基本的I/O板，其方框图如
31、图25所示。分别有3路模拟输入和模拟输出，六路数字输入和3路数字输出。 逆变器中的IGBT根据其功率大小而有不同的型式，ABB把几个IGBT通过一定组合连接做成一块功率元件模块。每个功率模块是由以下部分组成: (1)6个IGBT (2)6个续流二极管 ACS600多传动系列变频器包括十一个不同容量的逆变器单元。(R2i to R12i)。小容量的标准逆变器每个柜子可以容纳1-3个逆变单元，大容量的逆变器模块是并联的，占几个柜子(2X or 4S R11i/R12i)。每一个逆变器有一个Drive Control Unit(DCU)，包括AMC控制板和标准I/O板。逆变器有内置的电容用于平滑直流
32、母线的电压，用熔断器联接到母排上，逆变器可以选用不同的I/O扩展模块用于不同功能，如控制、监视、测量等，现场还装有脉冲编码器模块。图3-4 逆变器内部结构示意图四、直接转矩控制技术直接转矩控制(DTC)技术是ACS 600的核心。直接转矩控制对交流传动来说是一个最优的电机控制方法，它可以对所有交流电面的核心变量进行直接控制。它开发出交流传动前所未有的能力并给所有的应用提供了益处。DTC直接转矩控制，是交流传动领域电机控制方式的一次革命，它从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。在DTC中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模
33、型相结合使电机的状态每秒钟被更新40000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压，频率分别控制的PWM调制器。其主要原理是根据磁通、转矩的状态，选择逆变器开关状态，形成优化电压矢量，把磁通和转矩控制在一定容差范围内，从而达到对磁通与转矩的直接、闭环控制的目的。该控制方法具有控制原理简单、转矩动态响应快、需要的传感器较少等特点。缺点是运行一段时间以后，电动机温度升高，定子电阻值发生变化，使定子磁通的估计不准确，导致对转矩控制出现大的纹波。I
34、M自适应电动机模型优化开关选择表磁通转矩滞环控制TrefRrefsTeVdDSPSaSbSciaib逆变器 图3-5DTC原理图DTC控制的拖动系统结构如图3-5所示，图中虚线框所示部分是电机控制部分，主要由数字信号处理器完成其控制功能。sQsDV2(110)V3(010)V4(011)V0(000)V7(111)V1(100)V5(001)V6(101) 首先介绍优化开关选择表的工作原理。三相异步电动机控制中，通常采用三相两点式逆变器，其结构如图3-6a所示。每相的两个开关中，一次只能接通其中一个开关，当与上面开关接通时，开关相状态变量(如Sa)为1，反之为0。因此共有8种开关组合模式，对应
35、8种电压矢量，如图3-6b所示，其中v1(100)v6(101)为非零电压矢量，在相位上相差/3，另两个为零电压矢IMS aS bS c111000量。(a)逆变器结构 (b)电压矢量图3-6逆变器结构及其电压矢量图定子电压矢量方程可表示为式中Rs定子电阻us，is,s分别为定子电压、电流、磁通矢量 若忽略定子电阻压降，则有，在短时间t内，s=ust成立。由此式可看出，t内磁通矢量运动轨迹与该段时间内施加的电压矢量方向一致。转矩公式可表示为 式中r转子磁通矢量 定子磁通矢量与转子磁通矢量的夹角 p极对数转矩方程又可表示为运动方程转子电时间常数比定子的要大，在定子磁通矢量变化时，可认为转子磁通矢
36、量为常数。该公式表明，在定子磁通幅值为常量时，电磁转矩与成正比，如图3-7所示。由上述可知，通过选择电压矢量，可直接控制磁通和转矩。sQsDV2rV2ts图3-7 电压矢量的选择 定子磁通矢量位于不同的空间相位上，非零电压矢量对磁通、转矩的作用可以分成6个区间来说明，即图3-7所示的(N),N=1,6。例如在图3中，s位于(1)区间内时，v1,v2,v6产生向外的径向分量，如图3-7中v2r，使磁通幅值增加，v3,v4,v5产生指向圆心的径向分量，使之减小。v2,v3产生与旋转方向相同的切向分量，如图3-7中v2t,v5,v6对转矩的作用则相反。在其他5个区间，非零电压矢量对磁通、转矩的作用与
37、此同理。另外，零电压矢量不能使定子磁通矢量产生任何运动，而转子磁通一直处于缓慢移动状态，二者之间的夹角减小，从而使转矩减小。当需转矩减小时，一般选用零开关矢量，可以降低逆变器开关频率。综合滞环控制输出磁通状态、转矩状态，并根据磁通所在的相位，选择出满足磁通、转矩共同需要的电压矢量，形成优化开关选择表。如表3-1所示。磁通角的取值范围为n=0,1,2,3,4,5(1)(2)(3)(4)(5)(6)=1T=1v1(100)v2(110)v3(010)v4(011)v5(001)v6(101)T=0v0(000)v0(000)v0(000)v0(000)v0(000)v0(000)=0T=1v2(1
38、10)v3(010)v4(011)v5(001)v6(101)v1(100)T=0v0(000)v0(000)v0(000)v0(000)v0(000)v0(000)表3-1优化开关选择表TeTref2Tet 磁通、转矩采取滞环控制，该模块与其它模块间关系如图3-5所示，目的是把磁通、转矩实际值的变化限制在一定的带宽范围内。其输入是磁通、转矩的参考值、实际值，输出为二者当前状态。转矩滞环控制原理是把实际转矩Te和参考值Tref相比较，当Te-TrefTe时，转矩输出状态T为0，表示转矩需要减小，当Te-Tref-Te时，T为1，表示转矩需要增加，转矩滞环控制带宽为2Te，转矩滞环控制如图3-8
39、所示。磁通滞环控制与此同理，不再赘述。图3-8转矩滞环控制电动机模型实际上是一个估计器，用来估计磁通、转矩、速度等。ACS600的开环动态速度控制精度可以达到闭环磁通矢量控制的精度。 ACS 600静态速度控制精度为标称速度的0.1%到05%，它满足了绝大多数的工业应用。当要求更精确的速度调节时，可以加装脉冲编码器可选件。ACS 600的开环转矩阶跃上升时间小于 5毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于100毫秒。五、ACS 600的重要性能1、 ACS600 Multidrive的特点 共用直流母线设计可以最大限度的节省能量、节省电缆和安装以及维护的费用。 D
40、TC和DC传动的比较：它们都是直接控制力矩，但DTC有其它优点，如可以没有测速机反馈，具有交流电机耐用易维护的特点，无需外就励磁等。 DTC和AC传动比较：最主要的区别在于DTC不需要调制器，它直接控制电机的力矩；对于PWM的AC传动，其控制变量是频率和电压而不是直接控制电机的参数，电压和频率给定值进入调制器再模拟出交流正弦波输入到定子线圈，其输入电压和频率的转换需要一定的时间即信号处理的时间，因此响应速度慢。DTC的性能: (1)力矩响应：即给定100%力矩值，电机以多少时间才能达到此值。对于DTC来讲其时间为1-2ms，相比较而言DC和矢量控制是10-2ms，而PWM(开环)的力矩响应要超
41、过100ms。DTC的力矩响应从理论上讲已达到了电机的自然极限。力矩响应高，使得负荷在突变时，减小电机速降时间，这样产品质量就比较恒定。 (2)在低频时精确的力矩控制：在DTC控制下，即使速度控制在0.5Hz以下，但仍然能提供100%的力矩。 (3)力矩的重复性：即在同样的力矩给定值下，电机输出实际力矩值的变化。对于DTC其力矩重复性可达到1-2%，此值是AC(开环)的一半，和AC(闭环)、DC传动一样，这样可保证同一产品质量的恒定。 (4)电机静态速度确性(SA) 它的定义是按照ABB技术附件7中规定，如图3-9所示： 其中： SA=静态精度 % RA=累计速降 %sec IC=冲击速降 % T=速降的持续时间 secSA响应RAICT负荷Time给定速度rpmActAI图3-9 电机的动态、静态精度特性 I=100%额定电流 按照以