变频调速系统都以控制电动机转速为目的,基本特点:①变频器输出频率大小(取决于转速高低)随给定信号大小而变;②电动机转矩大小不能控制、总是和负载阻转矩平衡、随负载轻重随时变化;③电动机转矩限值受发热与过载能力(取决于临界转矩)制约。
转矩控制是矢量控制模式下一种特殊控制方式,主要特点:①给定信号并不用于控制变频器输出频率大小、而是用于控制电动机产生的电磁转矩大小,如图1-22:给定信号 10 V 时电磁转矩为最大值 Tmax(状态①),给定 5 V 时电磁转矩为 Tmax/2(状态②);②电动机转速大小取决于电磁转矩与负载转矩比较结果、只能决定拖动系统加速还是减速、其输出频率不能调节、很难使拖动系统在某一转速下等速运行。
图1-22 转矩控制曲线
若给定电动机转矩不变(等于 Tmax)而负载转矩变化,系统运行如图1-22(a) 曲线③:1)负载转矩小于 Tmax 时拖动系统加速、一直加速至预置上限频率、按上限转速 nH 运行;2)负载转矩超过 Tmax 时拖动系统减速;3)负载转矩又小于 Tmax 时又加速到上限转速。若负载转矩不变、给定转矩变化则运行如图1-22(b) 曲线③:4)电动机转矩小于负载转矩时转速为 0;5)电动机转矩大于负载转矩时拖动系统开始加速、加速度随动态转矩(TJ=TM-TL)增加而增加。
调速系统任务控制速度、速度通过转矩改变,系统性能取决于转矩控制性能。矢量控制(VC)与直接力矩控制(DTC)任务都是实现高性能转矩控制、速度调节部分相同。
异步电动机转矩等于磁链矢量与定子电流矢量矢量积,磁链不能直接测量、需通过定子电压电流及电动机参数计算。因定子电压电流都是交流量、处理复杂,VC 系统中借助坐标变换把它们变成 dq(旋转坐标系)坐标系直流量,计算得的控制量再经反变换回交流坐标系产生 PWM 信号。为高速低速均有好性能须用电压电流两个模型、涉及电动机参数较多。
DTC 系统中用交流量直接计算力矩与磁链、通过力矩磁链两个 Bang-Bang 控制器产生 PWM 信号、省去坐标变换。研制 DTC 初期未考虑低速运行工况、以定子磁链为基础、涉及参数只有 Rs,故 DTC 计算简单、参数少、精度高。考虑低速运行后 DTC 也须引入电流模型、用到转子磁链、涉及参数与 VC 一样多、精度也一样。DTC 无坐标变换、计算公式简单,但为实现 Bang-Bang 控制须在一个开关周期内计算很多次、要求计算速度快,以 ABB ACS600 系列为例计算周期 25 μs;VC 控制测量电压电流一个开关周期平均、一周期算一次、对计算速度要求低,以 Siemens 6SE70 系列为例计算周期 400 μs、相差 16 倍。矢量变换计算不过是 4 个乘法与两个加法、以现在处理器能力完全胜任。以定子磁链为基础也不是 DTC 专利、有的 VC 系统也以定子磁链为基础。