1 引言
        变频调速以其优异的调速和起动性能，高效率、高功率 因数和节电效果，应用范围广等诸多优点而被认为是最有发 展的调速方式之一CONTROL ENGINEERING China版权所有，利用变频调速来实现污水处理行业的充 氧量，则可以节约大量的电能。本文通过比较的方式阐述了 变频器的DTC控制技术的工作原理以及污水处理技术在卡鲁塞尔。氧化沟中表面曝气设备的应用实例。
        2 变频技术的一个简单发展历程
        VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency，简称变频 调速)变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够 满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广 泛应用。但是，这种控制方式输出最大转矩减小，动态转矩 能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢 量控制变频调速。
        交流电机使用VVVF变频技术及PWM的控制回路如图1所示。

        图1交流电机使用VVVF变频技术及PWM的控制回路

        矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下 的定子交流iA、iB、iC通过三相一二相变换，等效成两相静止 坐标系下的交流电流i a、i p，再通过按转子磁场定向旋转变 换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流IM、IT(IMPel当于直 流电动机的励磁电流，IT相当于与转矩成正比的电枢电流)。
        交流电机使用矢量变频技术及PWM的控制回路如图2所示。
        矢量控制方法的提出具有划时代的意义。但是由于转子 磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且 在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使 得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

        图2 交流电机使用矢量变频技术及PWM的控制回路

        1985年，德国鲁尔大学的Dcpenbrock教授首次提出了直接 转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控 制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优 良的动静态性能得到了迅速发展。日前，该技术已成功地应 用在的大功率交流传动上。
        交流电机使用直接转矩变频技术的控制回路如图3所示。

        图3 交流电机使用直接转矩变频技术的控制回路

        3 DTC变频器的控制工作原理
        交流电机传动系统中的直接转矩控制技术是基于定子两 相静止参考坐标系，一方面维持转矩在给定值附近，一方面 维持定子磁链沿着给定轨迹(预先设定的轨迹)运动，这对 于交流电机的电磁转矩与定子链接直接进行闭环控制。
        直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的 数学模型www.cechina.cn，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动 机与直流电动机进行比较、等效、转化；既不需要模仿直流 电动机的控制，也不需要为解藕而简化交流电动机的数学模 型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，它所需要的 信号处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流 电动机的物理过程作出直接和明确的判断 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要 知道定子电阻就可以把它观测出来。直接转矩控制采用空间 矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理 量，使问题简单明了。
        这种直接转矩控制方式具有以下特点：
        · 非常简单的控制结构；
        · 非常快速的动态性能；
        · 无需专门的PWM技术，把交流电机和逆变器结合在一 起，对电机的控制最为直接，且能最大限度发挥逆变器的能 力。
        4 ABB ACSS00系列变频器的技术特点
        ABB ACS800系列变频器将DTC技术和模糊控制理论合二为一，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器。在DTC中，定子磁通和转矩被作为 主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模 型相结合使电机的状态以40，000次／s更新。由于电机状态以及 实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开 关状态都是单独确定的。这意味着其传动系统可以产生最佳 的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响 应。
        (1)精确速度控制。AC$800的动态转速误差在开环应 用时为0．4％s，而矢量控制器在开环时大于0．8％s，闭环时为 0．3％s。动态转矩阶跃响应时间，在开环时能达到1-5ms，而 矢量控制器在闭环时需10．20ms，开环时为100—200ms。
        (2)零速满转矩。AC$800带动的电机能够获得在零速 时电机的额定转矩。而矢量控制变频器只能在接近零速时实 现满力矩输出。最大起动转矩能达~U200％的电机额定转矩。 ACS800的自动起动特性超过一般变频器的飞升起动和积分起 动的性能，ACS800能在几毫秒内测出电机的状态，任何的条 件下都可在0．48s内迅速起动。而矢量控制变频器需大于2．2s。
        5 污水处理厂的使用环境
        在工业废水处理领域，可采用各种处理步骤和工艺。
        对于多数的工业废水处理设施而言www.cechina.cn，废水处理系统包括预处 理、生物处理和污泥处理工段，典型的污水处理厂的流程如 图4所示。

        图4 典型污水处理厂的流程图

        预处理工段的主要目的在于调节均衡进水流量、去除进 水中的ss(其中包括大量纤维、填料等)。
        生物处理工段乃至整个污水处理厂的核心是卡鲁塞尔。氧 化沟系统，其运行状态在很大程度上决定了处理厂最终的出水 水质。系统的曝气设备采用了德和威(DHV)公司为卡鲁塞尔。
        系列氧化沟专门研制开发的OXYRATO 系列倒伞表曝机。在 设计中，OXYRATO 系列倒伞表曝机不仅仅只是单纯的充氧 设备，在DHV的专用工艺和水力模型中控制工程网版权所有，更将该设备的机械动 力性能(如功率、叶轮的尺寸形状、转速、浸没深度等)和工艺 性能(充氧能力、推流和混合的能量分配等)作为系统的有机组 成部分来考虑。
        生物处理工段所产生的剩余污泥(生物污泥)将送至初沉池 中，并与进水中的悬浮物(ss)在初沉池中一起沉淀下来并排出，送至生化污泥缓冲池，再由螺杆泵送至污泥处理工段的污泥浓缩脱水设备上处理。
        6 建立电机模型
        表面曝气机属于大转矩启动设备，同时表面曝气机的冲 击负荷也很大。其中曝气叶轮绝大部分完全浸没在流动速度 为0．6m／s流动的水中启动一瞬间设备作用力包括如下几方面： · 流动的水面向上的浮力，由于叶轮并不是完全浸没在水 中，所以存在一个水面向上的浮力，这个浮力由于叶轮跟叶 轮进入水面的深度有很大的联系，同时也和不同运行时期水 面的变化而变化；
        · 叶轮向下的作用力，由于重力的作用，而且具体项目中 叶轮的尺寸是不一致，叶轮向下的作用力也是不一样的；
        · 水流和侧壁阵发的侧向力(冲击荷载)，叶轮的直径最大
        可以达~lJ375Omm，同时叶轮和相邻的混凝土构筑物的距离大

        图5 表面曝气机的受力结构

        约在100mm，所以叶轮在运行过程，会激起大量的水流，最后 水流和侧壁会对叶轮产生阵发的侧向力；
        · 负荷变化比较剧烈，由于水流冲击负荷和液面高度的不 稳定，上述设备的负荷变化比较剧烈。
        由于上述设备的受力情况非常特殊，所以必须需要经过 DHV的专用计算程序计算设备的受力情况，表面曝气机的受力结构如图5。
        7 系统调试
        DTC控制需要精确的电机模型，AC$800系列变频器具
        有独特的电机辨识功能，在运行中，ACS800将辨识电机的特 性已寻找最优的电机控制策略。作为常规调试的一部分，电 机要进行电机识别运行。将电机的基本数据输入到变频器之 后，以手动方式启动电机进行识别运行，识别运行期间，变 频器通过检测电动机对所施加电源的响应建立精确的电动机 模型，确定电机定子与激磁电抗Ls与Lm以及定子电阻R，并考 虑电机的饱和效应，可算出定子磁通、实时力矩、轴转速。 DTC控制器就是利用这个模型精确地控制变频器和电动机的 运行。
        DTC~I电机的磁通和转矩核心概念图解如图6所示。

        图6 DTC~n电机的磁通和转矩核心概念图

        8 结束语
        ABB DCS800系列变频器结合了DTC技术和模糊控制理 论，此特点特别适合于卡鲁塞尔 氧化沟工艺中的表曝机的控 制。由于表曝机启动转距非常大，所以需要重载启动。选用 普通的变频起就必须选大一档，比如1 60kW的电机就必须选 用200kW的变频器，或者选用专门适用于重载负荷系列变频 器，但是ABB DCS800的变频器选型的时候可直接选择160kW 的变频器，通过几个项目的使用CONTROL ENGINEERING China版权所有， 目前运行良好。
        同时由于表曝机运行时负荷变化较大，冲击负荷较多， 经常产生大量的冲击负荷，针对这个特点，由于DTC建立了 精确的电机模型，同时变频器具有独特的电机辨识功能，在 运行中，AC$800将辨识电机的特性以寻找最优的电机控制策 略。而且DTC变频控制技术的快速反应时间也提高了自动化 控制的准确性。
        其它作者：张军(1976一)，男，黑龙江拜泉人，工学学 士， 助理工程师，2001年毕业于燕山大学机电一体化专业， 现就职于德和威(北京)环境工程有限公司。
        参考文献：
        [1]李华德．交流调速控制系统[M]子工业出版社，2003．
        [2]ABB drive Technical guide book 3AFE645 14482 REV D．EFFET1VE 21．7 2008．