作者簡(jiǎn)介：

    曹紅濤 （1971-），男 ，甘肅省西峰市， 1992年畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化儀表專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，電氣及自控高級工程師
    張 軍（1976-），男，黑龍江省拜泉縣，2001年畢業(yè)于燕山大學(xué)機電一體化專(zhuān)業(yè)， 工學(xué)學(xué)士， 助理工程師

引言

    變頻調速以其優(yōu)異的調速和起動(dòng)性能，高效率、高功率因數和節電效果，應用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)而被認為是最有發(fā)展的調速方式之一，利用變頻調速來(lái)實(shí)現污水處理行業(yè)的充氧量，則可以節約大量的電能。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備的應用實(shí)例。

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(chēng)變頻調速）變頻器的控制相對簡(jiǎn)單，機械特性硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。但是，這種控制方式輸出最大轉矩減小，動(dòng)態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調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速。交流電機使用VVVF變頻技術(shù)及PWM的控制回路如圖1:
    矢量控制變頻調速的做法是將異步電動(dòng)機在三相坐標系下的定子交流iA、iB、iC通過(guò)三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流iα、iβ，再通過(guò)按轉子磁場(chǎng)定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流IM、IT(IM相當于直流電動(dòng)機的勵磁電流，IT相當于與轉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:

    矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。但是由于轉子磁鏈難以準確觀(guān)測，系統特性受電動(dòng)機參數的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機控制過(guò)程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實(shí)際的控制效果難以達到理想分析的結果。
    1985年，德國魯爾大學(xué)的Dcpenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術(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)潔明了的系統結構、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)已成功地應用在的大功率交流傳動(dòng)上。交流電機使用直接轉矩變頻技術(shù)的控制回路如圖3: DTC變頻器的控制工作原理

    交流電機傳動(dòng)系統中的直接轉矩控制技術(shù)是基于定子兩相靜止參考坐標系，一方面維持轉矩在給定值附近，一方面維持定子磁鏈沿著(zhù)給定軌跡（預先設定的軌跡）運動(dòng)，這對于交流電機的電磁轉矩與定子鏈接直接進(jìn)行閉環(huán)控制。

    直接轉矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩。他不需要將交流電動(dòng)機與直流電動(dòng)機進(jìn)行比較、等效、轉化；既不需要模仿直流電動(dòng)機的控制，也不需要為解藕而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，它省掉了矢量旋轉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(jiǎn)單，所用的控制信號易于觀(guān)察者對交流電動(dòng)機的物理過(guò)程作出直接和明確的判斷

    直接轉矩控制的磁場(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(guān)測出來(lái)。直接轉矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機的數學(xué)模型和控制各物理量，使問(wèn)題簡(jiǎn)單明了。

    這種直接轉矩控制方式具有：

     ——非常簡(jiǎn)單的控制結構

     ——非?？焖俚膭?dòng)態(tài)性能

     ——無(wú)需專(zhuān)門(mén)的PWM技術(shù)，把交流電機和逆變器結合在一起，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

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，構成高性能、低成本的變頻器調速產(chǎn)品，并且性能大大優(yōu)于矢量控制變頻器。在DTC中，定子磁通和轉矩被作為主要的控制變量。高速數字信號處理器與先進(jìn)的電機軟件模型相結合使電機的狀態(tài)以40,000次/s更新。由于電機狀態(tài)以及實(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)都是單獨確定的。這意味者其傳動(dòng)系統可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對負載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應。

    精確速度控制—ACS800的動(dòng)態(tài)轉速誤差在開(kāi)環(huán)應用時(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)轉矩階躍響應時(shí)間，在開(kāi)環(huán)時(shí)能達到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。

    零速滿(mǎn)轉矩—ACS800帶動(dòng)的電機能夠獲得在零速時(shí)電機的額定轉矩。而矢量控制變頻器只能在接近零速時(shí)實(shí)現滿(mǎn)力矩輸出。最大起動(dòng)轉矩能達到200%的電機額定轉矩。 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能在幾毫秒內測出電機的狀態(tài)，任何的條件下都可在0.48s內迅速起動(dòng)。而矢量控制變頻器需大于是2.2s。

污水處理廠(chǎng)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。對于多數的工業(yè)廢水處理設施而言，廢水處理系統包括預處理、生物處理和污泥處理工段，典型的污水處理廠(chǎng)的流程如下：

    預處理工段的主要目的在于調節均衡進(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(chǎng)的核心是卡魯塞爾®氧化溝系統，其運行狀態(tài)在很大程度上決定了處理廠(chǎng)最終的出水水質(zhì)。系統的曝氣設備采用了德和威(DHV)公司為卡魯塞爾®系列氧化溝專(zhuān)門(mén)研制開(kāi)發(fā)的OXYRATOR®系列倒傘表曝機。在設計中，OXYRATOR®系列倒傘表曝機不僅僅只是單純的充氧設備，在DHV的專(zhuān)用工藝和水力模型中，更將該設備的機械動(dòng)力性能(如功率、葉輪的尺寸形狀、轉速、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)作為系統的有機組成部分來(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備上處理。

建立電機模型

    表面曝氣機屬于大轉矩啟動(dòng)設備，同時(shí)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(méi)在流動(dòng)速度為0.6m/s流動(dòng)的水中啟動(dòng)一瞬間設備作用力包括，作用力主要包括如下幾方面：

    ——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。

    ——水流和側壁陣發(fā)的側向力(沖擊荷載)，葉輪的直徑最大可以達到3750mm，同時(shí)葉輪和相鄰的混凝土構筑物的距離大約在100mm,所以葉輪在運行過(guò)程，會(huì )激起大量的水流，最后水流和側壁會(huì )對葉輪產(chǎn)生陣發(fā)的側向力。

    ——負荷變化比較劇烈，由于水流沖擊負荷和液面高度的不穩定，上述設備的負荷變化比較劇烈。

    由于上述設備的受力情況非常特殊，所以必須需要經(jīng)過(guò)DHV的專(zhuān)用計算程序計算設備的受力情況，表面曝氣機的受力結構如圖4。
系統調試

    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。作為常規調試的一部分，電機要進(jìn)行電機識別運行。將電機的基本數據輸入到變頻器之后，以手動(dòng)方式啟動(dòng)電機進(jìn)行識別運行，識別運行期間，變頻器通過(guò)檢測電動(dòng)機對所施加電源的響應建立精確的電動(dòng)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(shí)時(shí)力矩、軸轉速。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)機的運行。DTC和電機的磁通和轉矩核心概念圖解如圖5。
結束語(yǔ)

    ABB DCS800系列的變頻器結合了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的控制。由于表曝機啟動(dòng)轉距非常大，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的電機就必須選用200KW的變頻器，或者選用專(zhuān)門(mén)適用于重載負荷系列變頻器，但是ABB DCS800的變頻器選型的時(shí)候直接選擇160KW的變頻器，通過(guò)幾個(gè)項目的使用，目前運行良好。

    同時(shí)由于表曝機運行時(shí)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(gè)特點(diǎn)，由于DTC 建立了精確的電機模型，同時(shí)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(shí)間也提高了自動(dòng)化控制的準確性。

參考文獻：

[1] 李華德．交流調速控制系統．電子工業(yè)出版社　2003年3月1日
[2] ABB drive Technical guide book 3AFE64514482 REV D.EFFETIVE 21.7.2008
[3] 電氣傳動(dòng)　2006年3月6期　中壓變頻器在除塵風(fēng)機上的應用淺析