2017年中國(guó)低壓變頻器主要供應(yīng)商營(yíng)業(yè)額

DataSource：MIR | 睿工業(yè)

 

縱觀國(guó)內(nèi)低壓變頻器市場(chǎng)，行業(yè)第一梯隊(duì)由 ABB 與 Siemens 及匯川三家組成，它們的年銷(xiāo)售額均在二十億 RMB 左右，合計(jì)市場(chǎng)份額 30% 以上， 尤其是國(guó)產(chǎn)品牌匯川近幾年持續(xù)專(zhuān)注于專(zhuān)機(jī)市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)與拓展，增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，成為緊追 ABB、Siemens 的變頻器廠商，并且很有可能會(huì)在兩三年后成為國(guó)內(nèi)低壓變頻器的第一品牌；臺(tái)灣品牌臺(tái)達(dá)及進(jìn)口品牌 Schneider、Yaskawa、Danfoss（Vacon）同屬第二梯隊(duì)，年銷(xiāo)售額在十億 RMB 左右；而其它年銷(xiāo)售額在數(shù)億 RMB 的品牌則屬于第三梯隊(duì)。

 

PicSource：Wikipedia

 

變頻器品牌沉沉浮浮，你方唱罷我登場(chǎng)，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(chǎng)不參與控制、類(lèi)似開(kāi)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(zhuǎn)矩控制：

Direct Torque Control = DTC

 

PickSource：wikimedia.org

 

所謂矢量控制，就是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 （勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，同時(shí)控制兩個(gè)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(chēng)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(diào)節(jié)主要是通過(guò)直流電機(jī)的調(diào)速來(lái)完成的。直流電動(dòng)機(jī)回路主要由勵(lì)磁部分和電樞部分組成，勵(lì)磁電路負(fù)責(zé)磁場(chǎng)的建立，電樞部分負(fù)責(zé)為轉(zhuǎn)子線圈提供電源電壓；勵(lì)磁及電樞有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制回路，可以分別進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

 

根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)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(dòng)機(jī)氣隙主磁通；

Ce：為常數(shù)，其與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

 

所以，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，是可以通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電阻 R、或者電樞電壓 U 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

 

PicSource：Wikipedia

 

而反觀交流電動(dòng)機(jī)，定子部分同時(shí)承擔(dān)了直流電機(jī)電樞回路及勵(lì)磁回路的功能。由于輸入的電源特性，導(dǎo)致交流電機(jī)的磁場(chǎng)為交變的耦合磁場(chǎng)，其控制是不能用簡(jiǎn)單的電壓/電流來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

 

這個(gè)狀況在交流電機(jī)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(jì) 70 年代 Siemens 工程師 F.Blaschke 首先提出了異步電機(jī)矢量控制理論，用來(lái)解決交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題。上圖所展示的即為其當(dāng)時(shí)申請(qǐng)專(zhuān)利時(shí)所繪制的系統(tǒng)框圖真跡。矢量控制的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

 

PicSource：Wikipedia

 

具體來(lái)說(shuō)，就是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)控制兩個(gè)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(jī)控制方式稱(chēng)為“矢量控制”。而在矢量控制方式中，又有基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式、無(wú)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(shù)，我們就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，從而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。

 

PicSource：FR A800 | Mitsubishi Electric

 

使用矢量控制方式的通用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，不僅能夠讓其在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且還可以對(duì)其輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)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(dòng)機(jī)的物理特性，因此大部分通用變頻器在使用時(shí)往往都要求準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的規(guī)格參數(shù)，有時(shí)還需要匹配相應(yīng)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(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能。帶有這種功能的通用變頻器，在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，能夠自動(dòng)辨識(shí)異步電動(dòng)機(jī)的特性指標(biāo)，并相應(yīng)的調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。這在很大程度上幫助用戶(hù)簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的配置和調(diào)試工作。

 

PicSource：Wikipedia

 

1985 年，德國(guó)學(xué)者 Depenbrock 教授提出直接轉(zhuǎn)矩控制。其思路是把電機(jī)和逆變器看成一個(gè)整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過(guò)跟蹤型 PWM 逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩，無(wú)需對(duì)定子電流進(jìn)行解耦，免去矢量變換的復(fù)雜計(jì)算，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。

 

PicSource：researchgate.net

 

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Band - Band 控制），對(duì)轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)值與給定值進(jìn)行比較，將轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)控制，并產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況；它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法。

 

PicSource：ABB

 

由于省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算、無(wú)需為了解耦去簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、沒(méi)有了通常的 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，因此，直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。

 

PicSource：ABB | ACS800

 

廣義上說(shuō)，直接轉(zhuǎn)矩控制也屬于矢量控制的一種，而我們上面所說(shuō)的矢量控制，實(shí)際上是矢量控制中的定向磁場(chǎng)控制，即 Field Oriented Control = FOC。然而，盡管都可以被稱(chēng)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(xí)慣上看，我們?nèi)粘Ｌ岬绞噶靠刂茣r(shí)，更多的也是在指 FOC，而非直接轉(zhuǎn)矩控制 DTC，也是為了能夠有效的將這二者區(qū)分開(kāi)來(lái)。

 

PicSource：TB Wood's

 

有關(guān)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制之間的差異，個(gè)人覺(jué)得，其實(shí)也是可以用華山派的氣宗與劍宗來(lái)進(jìn)行對(duì)比演繹的：

華山派氣宗講究的是內(nèi)功心法，先從基本功開(kāi)始，最終以氣御劍；矢量控制從電機(jī)自身出發(fā)，對(duì)其內(nèi)在進(jìn)行深入的剖析和解構(gòu)，最終達(dá)到控制目的。從這點(diǎn)來(lái)看，矢量控制和氣宗確實(shí)有的一拼。

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

 

PicSource：The Straits Times

 

通過(guò)對(duì)矢量控制和直接轉(zhuǎn)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(zhǔn)確的對(duì)電機(jī)的速度/轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。同時(shí)，由于二者內(nèi)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(zhuǎn)矩控制，二者各自都有其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，我們并不能僅從上述演繹就簡(jiǎn)單的研判二者誰(shuí)更好，更強(qiáng)。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中，不同的控制算法產(chǎn)生的結(jié)果也是不同的。比如在一些對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求特別高的應(yīng)用領(lǐng)域，直接轉(zhuǎn)矩控制就比較適合；但是在一些對(duì)速度穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，矢量控制的表現(xiàn)就要優(yōu)于直接轉(zhuǎn)矩控制。

 

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

 

原稿：Mute

圖文：麥總

參考文獻(xiàn)：Siemens | DTC 與矢量控制