2017年中國低壓變頻器主要供應商營業(yè)額

DataSource：MIR | 睿工業(yè)

 

縱觀國內低壓變頻器市場，行業(yè)第一梯隊由 ABB 與 Siemens 及匯川三家組成，它們的年銷售額均在二十億 RMB 左右，合計市場份額 30% 以上， 尤其是國產(chǎn)品牌匯川近幾年持續(xù)專注于專機市場的開發(fā)與拓展，增長勢頭迅猛，成為緊追 ABB、Siemens 的變頻器廠商，并且很有可能會在兩三年后成為國內低壓變頻器的第一品牌；臺灣品牌臺達及進口品牌 Schneider、Yaskawa、Danfoss（Vacon）同屬第二梯隊，年銷售額在十億 RMB 左右；而其它年銷售額在數(shù)億 RMB 的品牌則屬于第三梯隊。

 

PicSource：Wikipedia

 

變頻器品牌沉沉浮浮，你方唱罷我登場，但是其背后的控制理論卻一直未有太多的變化，除了電流和磁場不參與控制、類似開環(huán)的 v/f 控制方式以外，目前主要有兩種控制算法：

矢量控制：

Vector Control = VC

直接轉矩控制：

Direct Torque Control = DTC

 

PickSource：wikimedia.org

 

所謂矢量控制，就是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 （勵磁電流）和產(chǎn)生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，同時控制兩個分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量，因此這種控制方式被稱為矢量控制。

 

PicSource：Convergence Training

 

在矢量控制理論出現(xiàn)以前，生產(chǎn)工藝中的速度調節(jié)主要是通過直流電機的調速來完成的。直流電動機回路主要由勵磁部分和電樞部分組成，勵磁電路負責磁場的建立，電樞部分負責為轉子線圈提供電源電壓；勵磁及電樞有兩個相對獨立的控制回路，可以分別進行控制和調節(jié)。

 

根據(jù)直流電機轉速計算公式：

n =（ U - RI ）/ Ce φ；

U：為電樞電壓；

R：為電樞回路電阻；

I：為電樞電流；

φ：為電動機氣隙主磁通；

Ce：為常數(shù)，其與電動機結構相關。

 

所以，直流電機的轉速調節(jié)，是可以通過調節(jié)電樞電阻 R、或者電樞電壓 U 來實現(xiàn)的。

 

PicSource：Wikipedia

 

而反觀交流電動機，定子部分同時承擔了直流電機電樞回路及勵磁回路的功能。由于輸入的電源特性，導致交流電機的磁場為交變的耦合磁場，其控制是不能用簡單的電壓/電流來進行調節(jié)的。

 

這個狀況在交流電機矢量控制理論出現(xiàn)后發(fā)生了改變。

 

PicSource：Blaschke's 1971 US patent application

 

上世紀 70 年代 Siemens 工程師 F.Blaschke 首先提出了異步電機矢量控制理論，用來解決交流電機的轉矩控制問題。上圖所展示的即為其當時申請專利時所繪制的系統(tǒng)框圖真跡。矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。

 

PicSource：Wikipedia

 

具體來說，就是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩個分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量。因此，我們將這樣的電機控制方式稱為“矢量控制”。而在矢量控制方式中，又有基于轉差頻率的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式...等。這樣，借助矢量控制技術，我們就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，從而獲得與直流調速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。

 

PicSource：FR A800 | Mitsubishi Electric

 

使用矢量控制方式的通用變頻器驅動異步電動機，不僅能夠讓其在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且還可以對其輸出轉矩進行靈活控制。

 

由于矢量控制方式所依據(jù)的是被控異步電動機的物理特性，因此大部分通用變頻器在使用時往往都要求準確地輸入異步電動機的規(guī)格參數(shù)，有時還需要匹配相應的速度傳感器和編碼器。

 

PicSource：siemens.com/press | sinamics

 

目前新的通用型矢量控制變頻器都已經(jīng)具備了異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能。帶有這種功能的通用變頻器，在驅動異步電動機進行正常運轉之前，能夠自動辨識異步電動機的特性指標，并相應的調整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。這在很大程度上幫助用戶簡化了產(chǎn)品的配置和調試工作。

 

PicSource：Wikipedia

 

1985 年，德國學者 Depenbrock 教授提出直接轉矩控制。其思路是把電機和逆變器看成一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉矩計算，通過跟蹤型 PWM 逆變器的開關狀態(tài)直接控制轉矩，無需對定子電流進行解耦，免去矢量變換的復雜計算，極大的簡化了系統(tǒng)的控制結構。

 

PicSource：researchgate.net

 

直接轉矩控制技術，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數(shù)學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節(jié)器（Band - Band 控制），對轉矩的檢測值與給定值進行比較，將轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節(jié)器來控制，并產(chǎn)生 PWM 脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機的數(shù)學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩的實際狀況；它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動機的控制方法。

 

PicSource：ABB

 

由于省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算、無需為了解耦去簡化異步電動機的數(shù)學模型、沒有了通常的 PWM 脈寬調制信號發(fā)生器，因此，直接轉矩控制的系統(tǒng)結構相對簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調速控制方式。

 

PicSource：ABB | ACS800

 

廣義上說，直接轉矩控制也屬于矢量控制的一種，而我們上面所說的矢量控制，實際上是矢量控制中的定向磁場控制，即 Field Oriented Control = FOC。然而，盡管都可以被稱為“矢量控制”，但這兩種算法在控制原理上的差異還是非常大的，幾乎可以算得上是井水不犯河水。另外，從習慣上看，我們日常提到矢量控制時，更多的也是在指 FOC，而非直接轉矩控制 DTC，也是為了能夠有效的將這二者區(qū)分開來。

 

PicSource：TB Wood's

 

有關矢量控制與直接轉矩控制之間的差異，個人覺得，其實也是可以用華山派的氣宗與劍宗來進行對比演繹的：

華山派氣宗講究的是內功心法，先從基本功開始，最終以氣御劍；矢量控制從電機自身出發(fā)，對其內在進行深入的剖析和解構，最終達到控制目的。從這點來看，矢量控制和氣宗確實有的一拼。

而劍宗講究招式凌厲，變化繁復；內功心法不重要，只要招式妙，一樣把你打趴下。直接轉矩控制以控制轉矩為目標，一切以轉矩為核心，就如劍宗，敵靜我止，敵動我先動，天下武功唯快不破，最終達到控制的目的。

 

PicSource：The Straits Times

 

通過對矢量控制和直接轉矩控制兩種算法的武俠演繹，可以看到，雖然二者的思路不同，但是最終的目的卻是一致的，就是準確的對電機的速度/轉矩進行控制。同時，由于二者內在的控制核心不一致，造成了最終在控制表現(xiàn)上的差異：

 

InfoSource：Wikipedia

 

矢量控制與直接轉矩控制，二者各自都有其優(yōu)勢與劣勢，我們并不能僅從上述演繹就簡單的研判二者誰更好，更強。在不同的應用場合中，不同的控制算法產(chǎn)生的結果也是不同的。比如在一些對轉矩響應要求特別高的應用領域，直接轉矩控制就比較適合；但是在一些對速度穩(wěn)定性要求較高的場合，矢量控制的表現(xiàn)就要優(yōu)于直接轉矩控制。

 

我們期待，在將來會有一種算法，能夠融合二者的優(yōu)點，彌補各自的缺點，讓變頻器更好更快地為人民服務。

 

原稿：Mute

圖文：麥總

參考文獻：Siemens | DTC 與矢量控制