直接转矩控制技术在挖掘机行业上的应用（二）

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　　3技术方案
　　根据目前比较成熟的高性能的交流调速技术，有矢量控制技术和直接转矩控制技术两种方案可以选择，这两种技术方案都可以较好地解决挖掘机的技术难题，然而直接转矩控制技术由于所采用的基于定子磁场定向的控制方法，故不需要在电机轴端安装测速编码器来反馈转子位置信号，而且仍能实现高精度的动静态速度和力矩控制。另外，直接转矩控制是对转矩的直接控制，故对负载的变化相应迅速，可实现快速的过程控制，同时又具有过高的过载能力和200%的起动转矩。基于直接转矩控制技术的特点能够完全满足挖掘机的关键技术要求，故在这里采用以直接转矩控制技术为核心的交流调速装置。
　　3.1直接转矩控制原理
  j9 t" S$ h' S9 J  U$ o　　交流异步电动机直接转矩控制理论是由德国鲁尔大学Depenbrock教授首次提出，后经过ABB公司10多年的逐步完善以及产品化，直接转矩控制技术已成为当今交流传动的最先进的控制方法之一。
- a$ S' K2 H* I: ^( I　　直接转矩控制技术是在变频器内部建立了一个交流异步电动机的软件数学模型，根据实测的直流母线电压、开关状态和电流计算出一组精确的电机转矩和定子磁通实际值，并将这些参数值直接应用于控制输出单元的开关状态，变频器的每一次开关状态都是单独确定的，这意味着可以产生最佳的开关组合并对负载变化作出快速地转矩响应，并将转矩相应限制在一拍以内，且无超调，真正实现了对电动机转矩和转速的实时控制。
6 b* o& M8 G* X1 s　　3.2无测速传感器及零速满转矩
. [' K3 [( ?+ G" C　　矢量控制技术和直接转矩控制技术在有测速传感器的条件下控制精度相差无几，大约为额定转速的±0.01%。然而，矢量控制技术的调速精度尤其是在零速附近对测速传感器的依赖性较强，当传感器失效时，其控制精度大为降低，只有额定转速的±1-3%，很难保证电机零速时输出满转矩的特性，从而出现提升和推压机构在零速时下滑或溜车的现象。为了避免这一现象，实际应用中可采用加转速偏置的方法可在一定程度上解决这一问题，然而偏置量的过大或过小会引起两个机构的缓慢上升或下滑。
' U9 k& n  ^! c' s: f8 X# M　　采用直接转矩控制技术则不会存在上面的问题。一方面由于其采用基于定子磁场定向的电机模型，不需要测速传感器检测转子的位置，对测速传感器的依赖性不强，即使没有传感器仍可以有很高的调速精度，可达额定转速的±0.1-0.5%，故在零速附近仍可以维持满转矩的输出，保证提升和推压机构实现零速悬停。另一方面，根据无速度传感器的控制原理，定子磁链由电压模型计算得出
　　转子磁链和静止坐标系α轴的夹角为
　　对式(2)求导得到转子磁链的角速度为
5 v6 E- C0 G5 y$ @2 c5 ~　　转子转差角速度的计算公式为
　　电机转子的角速度为转子磁链角速度与转差角速度之差；ω=ωe-ωs1(5)
+ y5 ~7 p% g4 h0 x. b　　式中：ψr-转子磁通；ψs-定子磁通；Lr-转子电感；Ls-定子电感；Lm-定转子互感；is-定子电流；ψrα、ψrβ-转子磁通在静止坐标系α轴和β轴的分量；Tem-电磁转矩；Rr-转子电阻；pn-极对数。
　　由等式(5)得到的电机转速精度与定子磁链的准确性关系密切。由电压模型得到的定子磁链在低速时受到定子电阻压降的影响，估算的磁链值准确性下降，因此得到的转速精度也随之下降。为此，为了保证全速范围内转速的估算精度，在无速度传感器的条件下，当电机转速小于额定转速的10%，负载转矩大于额定转矩的30%时，ABB变频器ACS800系列采用了FS-method(FluxStabilizer)的控制侧略，即高于额定转速的10%时采用基于电压模型的转速估算值，低于额定转速的10%时采用基于电流模型的转速估算值，克服了低速下由电压模型估算转速不准确的缺陷，从而保证了电动机不仅在电动状态而且在发电状态都具有零速满转矩的特性，最大转矩输出可达额定转矩的200%。
　　正是由于ACS800系列变频器所具有的无传感器高控制精度和零速满转矩的特点，可完全保证挖掘机的提升和推压机构实现空中的零速悬停而不必采用机械抱闸装置，提高了挖掘机系统的可靠性和工作效率。
　　3.3再生能量的处理
" r$ J7 N  H) o4 p) V　　对于挖掘机提升和推压机构工作中的再生能量的处理，可采取两种解决方案:一种是整流桥采用由二极管组成的三相不控桥，外接制动斩波器的方案，再生能量通过制动电阻以热能的形式耗散掉，可采用的变频器型号为ACS800-04/07;另一种是整流桥采用由IGBT组成的三相可控桥，再生能量通过可控整流桥回馈到电网中去,可采用的变频器型号为ACS800-17。这里采用成本较低的解决方案，即外接制动斩波器的方案。
　　ACS800变频器具有高达200%的转矩输出能力，能够满足挖掘机在遇到大块坚硬岩石而出现的过大负载力矩需求，快速的堵转和过流等保护功能可保证系统的安全可靠工作。
　　另外，由于挖掘机的行走和回转是分别运行的，故为了节省投资，行走和回转采用同一个变频调速装置。为了实现这一目的，可采用ACS800标准软件的两个用户宏切换的功能，即分别将行走和回转的电机参数以及软件参数设置存储在用户宏1和用户宏2中，通过设定的数字输入口的上升和下降沿即可实现行走和回转两套控制参数的切换，达到一台变频器控制两台电机的目的。
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