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1引言

江西省宏宇能源發(fā)展有限公司是一家集新能源、新材料于一體的從事太陽(yáng)能建筑一體化節(jié)能環(huán)保建材生產(chǎn)、加工及銷售的新型工業(yè)化循環(huán)經(jīng)濟(jì)企業(yè)，其主要產(chǎn)品為太陽(yáng)能超白玻璃、 節(jié)能玻璃、搗固焦。該企業(yè)焦化分廠共計(jì)4套活塞式空氣壓縮機(jī)，采用2用2備模式運(yùn)行，壓縮機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生壓縮煤氣供其玻璃分廠使用。由于壓縮機(jī)電機(jī)采用工頻運(yùn)行，依靠人工調(diào)節(jié)閥門來(lái)控制管道壓力，造成很大程度的電能浪費(fèi)和人力浪費(fèi)。為降低年用電量、減少人力浪費(fèi)，決定增設(shè)2臺(tái)高壓變頻器，采取1拖2結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)能的目的。

高壓變頻器改造系統(tǒng)中，各壓縮機(jī)及電機(jī)、傳感器及變頻器采用閉環(huán)控制，并通過友好界面進(jìn)行簡(jiǎn)便的、就地（遠(yuǎn)程）操作。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息等可顯示到觸摸屏上。

2 無(wú)感矢量型變頻器原理

2.1 變頻器基本原理及構(gòu)成

變頻器是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻轉(zhuǎn)換成電壓和頻率都可以通過控制改變的轉(zhuǎn)換器，它可使電動(dòng)機(jī)在變頻電壓的電源驅(qū)動(dòng)下發(fā)揮更好的工作性能。簡(jiǎn)而言之，變頻器輸出的電壓和頻率分別可調(diào)。因此，變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)等功能。

本文中所涉及的異步電動(dòng)機(jī)、變頻器為高電壓等級(jí)，常見為6kV、10kV,其中變頻器為級(jí)聯(lián)式電壓源型高壓變頻器。下面對(duì)級(jí)聯(lián)式高壓變頻器其結(jié)構(gòu)、工作原理做說(shuō)明。

圖1  級(jí)聯(lián)式高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，級(jí)聯(lián)式高壓變頻器主回路由輸入移相變壓器、功率單元、主控系統(tǒng)及電氣控制構(gòu)成。電網(wǎng)輸入為三相10kV或6kV，經(jīng)過移相變壓器變?yōu)閚個(gè)低壓、獨(dú)立、移相二次繞組電源，依次接入功率單元模塊，經(jīng)過整流、濾波和逆變輸出單相交流電源。移相變壓器電流多重化作用可以降低電網(wǎng)側(cè)電流諧波。以6kV 高壓變頻器為例，5個(gè)二次繞組通過不同的聯(lián)結(jié)方式使它們之間的電流相位差為12°，在變壓器一次繞組側(cè)構(gòu)成30脈波整流電路，理論上可以消除電網(wǎng)側(cè)29次以下諧波。

圖2  功率單元基本結(jié)構(gòu)圖

采用功率單元串聯(lián)，不存在器件均壓的問題。每個(gè)功率單元承受全部輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但是由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96%以上。

如圖2所示，功率單元是由4個(gè)低壓絕緣柵雙極晶體管（IGBT）構(gòu)成的低壓PWM電壓型逆變器。可輸出1,0，-1三種狀態(tài)電平；每相5個(gè)功率單元疊加，由于采用多重化SVPWM技術(shù)，可以產(chǎn)生11種不同的電平等級(jí)，可得到具有11級(jí)階梯電平的相電壓波形和21級(jí)階梯電平的線電壓波形。使得輸出波形接近正弦波，輸出諧波小。

6kV每相5個(gè)單元級(jí)聯(lián)多電平變頻器電壓疊加原理（以A相為例）如圖3所示：

圖3  串聯(lián)多電平變頻器相電壓波形圖         

每相單元輸出波形的電平數(shù)為11個(gè)階梯波。

圖4  串聯(lián)多電平變頻器線電壓波形圖

2.2 異步電機(jī)無(wú)感矢量控制原理

2.2.1 異步電機(jī)基本方程

在以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸下，異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為

（1）電壓方程為：(2-1)

式中，usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq分別為定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、在dq軸上的分量；ws為轉(zhuǎn)差角速度，即ws=we-wr；we為同步角速度；wr為轉(zhuǎn)子角速度。由于這里只考慮鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，因此在式(2-1)所示的電壓方程中第三、第四行內(nèi)的轉(zhuǎn)子電壓分量urd、urq均為0。

（2）磁鏈方程為 (2-2)

式中，Ls、Lr為定子和轉(zhuǎn)子的自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感。

轉(zhuǎn)子磁鏈為(2-3)

式中，p為微分算子，從式中可見轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值yr與定子電流在d軸上的分量isd成比例，而與定子電流在q軸上的分量isq無(wú)關(guān)，且式（2-3）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈y(cè)r與定子電流的勵(lì)磁分量isd之間是一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)關(guān)系。

（3）轉(zhuǎn)矩方程為 (2-4)

從上式可以看出，在以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型幾乎與直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型完全一樣，均和磁鏈與轉(zhuǎn)矩電流的乘積成正比。

2.2.2 轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)

(1) 電流型磁鏈觀測(cè)器

利用檢測(cè)得到的定子電流以及轉(zhuǎn)速信號(hào)根據(jù)異步電機(jī)模型在兩相靜止坐標(biāo)系下可計(jì)算得到(2-5)

由式(2-5)可知，電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器中沒有純積分環(huán)節(jié)，因此沒有積分漂移問題，能夠在整個(gè)速度范圍內(nèi)觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈，但是模型中包含有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信息，故模型比較適合有速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中。與此同時(shí)模型中用到了轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，隨著電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行內(nèi)部溫度的變化，轉(zhuǎn)子電阻會(huì)發(fā)生較大的變化，造成觀測(cè)器的準(zhǔn)確性降低。因此電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器不適用于無(wú)速傳感器度矢量控制系統(tǒng)中。

(2) 電壓型磁鏈觀測(cè)器

利用檢測(cè)得到的定子電流、電壓信號(hào)根據(jù)異步電機(jī)模型在兩相靜止坐標(biāo)系下可計(jì)算得到(2-6)

其中

由式(2-6)可知電壓模型實(shí)際上是由定子反電勢(shì)的積分得到的定子磁鏈，然后根據(jù)與轉(zhuǎn)子磁鏈的關(guān)系推導(dǎo)出的轉(zhuǎn)子磁鏈。相比電流模型，電壓模型最大的優(yōu)點(diǎn)是模型中不含電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響較小，僅與電機(jī)定子參數(shù)有關(guān)，而且不含有電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，因此電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器適用于無(wú)速傳感器度矢量控制系統(tǒng)中。但是，該方法的缺點(diǎn)也很明顯：轉(zhuǎn)子磁鏈由轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓積分得到，積分環(huán)節(jié)的誤差累積和積分漂移現(xiàn)象比較明顯，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.3 基于轉(zhuǎn)子磁鏈的MRAS速度觀測(cè)器

根據(jù)上述分析，從異步電機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可以得到兩種不同形式的轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型，即電壓模型和電流模型，根據(jù)式(2-5)和式(2-6)可知，轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型包含轉(zhuǎn)速信息，而電壓模型與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因此可以構(gòu)造MRAS系統(tǒng)，選擇電壓模型作為參考模型，電流模型作為自適應(yīng)模型，以電壓模型和電流模型估測(cè)磁鏈的廣義誤差作為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸入，采用PI調(diào)節(jié)器作為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)對(duì)速度進(jìn)行辨識(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速辨識(shí)公式為 (2-7)

但是，如上文所述，電壓模型存在一些固有缺點(diǎn)，需要一些改善措施。在參考模型中引入高通濾波環(huán)節(jié)，來(lái)削弱電壓模型中純積分的影響，濾除輸出磁鏈中的低頻成分和直流漂移。同時(shí)，為了平衡該環(huán)節(jié)的引入帶來(lái)的磁鏈估計(jì)相移偏差，在可調(diào)模型中串接相同的環(huán)節(jié)其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5  基于轉(zhuǎn)子磁鏈的MRAS轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法結(jié)構(gòu)圖

3 活塞式空壓機(jī)特性及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

活塞式空壓機(jī)依靠活塞在汽缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)行，從而使氣缸內(nèi)氣體容積發(fā)生變化，并與氣缸內(nèi)氣閥做相應(yīng)的開閉動(dòng)作配合，通過吸氣、壓縮、排氣等動(dòng)作，將無(wú)壓或低壓氣體升壓，輸出到管道或儲(chǔ)壓氣罐內(nèi)。其特性如下：

(1)機(jī)械特性具有恒轉(zhuǎn)矩特性，且其飛輪力矩大，需要較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。一般要求空壓?jiǎn)?dòng)，即在啟動(dòng)前保證進(jìn)氣壓力與出氣壓力相等。

(2)吸氣與排氣兩個(gè)過程對(duì)外所需要力矩不等，吸氣時(shí)需要力矩較小，排氣時(shí)需要力矩較大。

(3)一般受到活塞潤(rùn)滑、閥門開閉、散熱等影響，運(yùn)行頻率較高。

該焦化廠4套活塞式空壓機(jī)型號(hào)均為D-210/2，D-210/2型煤氣壓縮機(jī)系二列對(duì)稱平衡型往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)。

在未改造前，采樣2用2備運(yùn)行模式，其中2用均為工頻運(yùn)行。為了保證管道壓力恒定，需要人工調(diào)節(jié)回流閥開度，讓部分煤氣進(jìn)行循環(huán)，這不但浪費(fèi)了大量電能，還增加了人力成本。另外，由于壓縮氣體進(jìn)入管道最后供玻璃廠使用，后端無(wú)儲(chǔ)氣罐，導(dǎo)致實(shí)際輸出壓力變化較大，由于人工操作閥門時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)壓力上升到保護(hù)值后，為了安全期間直接跳?？諝鈮嚎s機(jī)。

該現(xiàn)場(chǎng)正常使用2套活塞式空壓機(jī)最后輸出共管道，為了保證生產(chǎn)不間斷并減少人工操作，要求在1臺(tái)空壓機(jī)正常運(yùn)行情況下，另一臺(tái)變頻器拖動(dòng)空壓機(jī)能夠帶壓?jiǎn)?dòng)（即將該臺(tái)空壓機(jī)的輸入閥、輸出閥完全打開，回流閥完全關(guān)閉）；為了最大限度節(jié)能降耗并防止壓力過高系統(tǒng)聯(lián)跳，要求變頻器最低運(yùn)行頻率不能高于25Hz；為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，要求變頻器必須具備閉環(huán)PID控制功能。

       針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的無(wú)感矢量型高壓變頻器驅(qū)動(dòng)活塞式空壓機(jī)電機(jī)，該無(wú)感矢量型高壓變頻器具備以下特點(diǎn)：

• 低頻啟動(dòng)力矩大，不小于150%啟動(dòng)力矩，可解決空壓機(jī)帶壓?jiǎn)?dòng)問題。

• 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，不大于50ms，可解決空壓機(jī)低頻運(yùn)行電流波動(dòng)大問題。

• 完善的PID閉環(huán)控制功能，可解決空壓機(jī)自動(dòng)調(diào)壓功能。

 經(jīng)新風(fēng)光技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，變頻器成功投運(yùn)，且節(jié)能效果明顯。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，活塞式空壓機(jī)帶壓?jiǎn)?dòng)電流不超過電機(jī)額定電流120%，運(yùn)行頻率在20.00Hz-50.00Hz之間，PID壓力閉環(huán)效果較好，各項(xiàng)指標(biāo)可滿足甚至優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)客戶提出要求。

圖6  帶壓?jiǎn)?dòng)電流波形                              圖7  低頻20Hz運(yùn)行電流波形

圖8  現(xiàn)場(chǎng)活塞式空壓機(jī)

圖9  運(yùn)行界面

4 結(jié)束語(yǔ)

       本文詳細(xì)地?cái)⑹隽俗冾l器構(gòu)成原理和異步電機(jī)無(wú)感矢量控制原理，以及在活塞式空壓機(jī)上的應(yīng)用。在實(shí)際使用中，解決了活塞式空壓機(jī)帶壓?jiǎn)?dòng)、低頻運(yùn)行、PID閉環(huán)控制等問題。實(shí)踐證明，新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高性能無(wú)感矢量控制型高壓變頻器能夠很好地適用于啟動(dòng)力矩要求大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求快的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。