產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
無感矢量型高壓變頻器原理及在活塞式空壓機上應用
1引言
江西省宏宇能源發展有限公司是一家集新能源、新材料于一體的從事太陽能建筑一體化節能環保建材生產、加工及銷售的新型工業化循環經濟企業，其主要產品為太陽能超白玻璃、 節能玻璃、搗固焦。該企業焦化分廠共計4套活塞式空氣壓縮機，采用2用2備模式運行，壓縮機系統產生壓縮煤氣供其玻璃分廠使用。由于壓縮機電機采用工頻運行，依靠人工調節閥門來控制管道壓力，造成很大程度的電能浪費和人力浪費。為降低年用電量、減少人力浪費，決定增設2臺高壓變頻器，采取1拖2結構，實現由變頻器調節電機轉速，以達到節能的目的。
高壓變頻器改造系統中，各壓縮機及電機、傳感器及變頻器采用閉環控制，并通過友好界面進行簡便的、就地（遠程）操作。系統運行參數、報警信息等可顯示到觸摸屏上。
2 無感矢量型變頻器原理
2.1 變頻器基本原理及構成
變頻器是將電網電壓提供的恒壓恒頻轉換成電壓和頻率都可以通過控制改變的轉換器，它可使電動機在變頻電壓的電源驅動下發揮更好的工作性能。簡而言之，變頻器輸出的電壓和頻率分別可調。因此，變頻器能夠實現對交流異步電機的軟啟動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數等功能。
本文中所涉及的異步電動機、變頻器為高電壓等級，常見為6kV、10kV,其中變頻器為級聯式電壓源型高壓變頻器。下面對級聯式高壓變頻器其結構、工作原理做說明。
圖1 級聯式高壓變頻器結構圖
如圖1所示，級聯式高壓變頻器主回路由輸入移相變壓器、功率單元、主控系統及電氣控制構成。電網輸入為三相10kV或6kV，經過移相變壓器變為n個低壓、獨立、移相二次繞組電源，依次接入功率單元模塊，經過整流、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側電流諧波。以6kV 高壓變頻器為例，5個二次繞組通過不同的聯結方式使它們之間的電流相位差為12°，在變壓器一次繞組側構成30脈波整流電路，理論上可以消除電網側29次以下諧波。
圖2 功率單元基本結構圖
采用功率單元串聯，不存在器件均壓的問題。每個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。輸入功率因數可達到0.95以上。這種主電路拓撲結構雖然使器件數量增加，但是由于IGBT驅動功率很低，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96%以上。
如圖2所示，功率單元是由4個低壓絕緣柵雙極晶體管（IGBT）構成的低壓PWM電壓型逆變器。可輸出1,0，-1三種狀態電平；每相5個功率單元疊加，由于采用多重化SVPWM技術，可以產生11種不同的電平等級，可得到具有11級階梯電平的相電壓波形和21級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個單元級聯多電平變頻器電壓疊加原理（以A相為例）如圖3所示：
圖3 串聯多電平變頻器相電壓波形圖
每相單元輸出波形的電平數為11個階梯波。
圖4 串聯多電平變頻器線電壓波形圖
2.2 異步電機無感矢量控制原理
2.2.1 異步電機基本方程
在以轉子磁場定向的同步旋轉坐標系dq軸下，異步電動機的動態數學模型為
（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、轉子電壓、定子電流、轉子電流、在dq軸上的分量；ws為轉差角速度，即ws=we-wr；we為同步角速度；wr為轉子角速度。由于這里只考慮鼠籠型三相異步電動機，因此在式(2-1)所示的電壓方程中第三、第四行內的轉子電壓分量urd、urq均為0。
（2）磁鏈方程為 (2-2)
式中，Ls、Lr為定子和轉子的自感；Lm為定轉子互感。
轉子磁鏈為(2-3)
式中，p為微分算子，從式中可見轉子磁鏈的幅值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無關，且式（2-3）表明，轉子磁鏈yr與定子電流的勵磁分量isd之間是一階慣性環節的傳遞函數關系。
（3）轉矩方程為 (2-4)
從上式可以看出，在以轉子磁場定向的同步旋轉坐標系上，三相異步電動機的電磁轉矩模型幾乎與直流電動機的電磁轉矩模型完全一樣，均和磁鏈與轉矩電流的乘積成正比。
2.2.2 轉子磁鏈的觀測
(1) 電流型磁鏈觀測器
利用檢測得到的定子電流以及轉速信號根據異步電機模型在兩相靜止坐標系下可計算得到(2-5)
由式(2-5)可知，電流模型轉子磁鏈觀測器中沒有純積分環節，因此沒有積分漂移問題，能夠在整個速度范圍內觀測轉子磁鏈，但是模型中包含有轉子轉速信息，故模型比較適合有速度傳感器矢量控制系統中。與此同時模型中用到了轉子時間常數，隨著電機長時間運行內部溫度的變化，轉子電阻會發生較大的變化，造成觀測器的準確性降低。因此電流模型轉子磁鏈觀測器不適用于無速傳感器度矢量控制系統中。
(2) 電壓型磁鏈觀測器
利用檢測得到的定子電流、電壓信號根據異步電機模型在兩相靜止坐標系下可計算得到(2-6)
其中
由式(2-6)可知電壓模型實際上是由定子反電勢的積分得到的定子磁鏈，然后根據與轉子磁鏈的關系推導出的轉子磁鏈。相比電流模型，電壓模型最大的優點是模型中不含電機轉子電阻，受轉子參數影響較小，僅與電機定子參數有關，而且不含有電機轉速信號，因此電壓模型轉子磁鏈觀測器適用于無速傳感器度矢量控制系統中。但是，該方法的缺點也很明顯：轉子磁鏈由轉子感應電壓積分得到，積分環節的誤差累積和積分漂移現象比較明顯，甚至導致整個系統不能穩定運行。
2.2.3 基于轉子磁鏈的MRAS速度觀測器
根據上述分析，從異步電機兩相靜止坐標系下的數學模型，可以得到兩種不同形式的轉子磁鏈估算模型，即電壓模型和電流模型，根據式(2-5)和式(2-6)可知，轉子磁鏈的電流模型包含轉速信息，而電壓模型與轉速無關，因此可以構造MRAS系統，選擇電壓模型作為參考模型，電流模型作為自適應模型，以電壓模型和電流模型估測磁鏈的廣義誤差作為自適應機構的輸入，采用PI調節器作為自適應機構對速度進行辨識，轉子轉速辨識公式為 (2-7)
但是，如上文所述，電壓模型存在一些固有缺點，需要一些改善措施。在參考模型中引入高通濾波環節，來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，為了平衡該環節的引入帶來的磁鏈估計相移偏差，在可調模型中串接相同的環節其結構如圖5所示。
圖5 基于轉子磁鏈的MRAS轉速辨識方法結構圖
3 活塞式空壓機特性及現場應用情況
活塞式空壓機依靠活塞在汽缸內做往復運行，從而使氣缸內氣體容積發生變化，并與氣缸內氣閥做相應的開閉動作配合，通過吸氣、壓縮、排氣等動作，將無壓或低壓氣體升壓，輸出到管道或儲壓氣罐內。其特性如下：
(1)機械特性具有恒轉矩特性，且其飛輪力矩大，需要較大的啟動轉矩。一般要求空壓啟動，即在啟動前保證進氣壓力與出氣壓力相等。
(2)吸氣與排氣兩個過程對外所需要力矩不等，吸氣時需要力矩較小，排氣時需要力矩較大。
(3)一般受到活塞潤滑、閥門開閉、散熱等影響，運行頻率較高。
該焦化廠4套活塞式空壓機型號均為D-210/2，D-210/2型煤氣壓縮機系二列對稱平衡型往復活塞式空氣壓縮機。
在未改造前，采樣2用2備運行模式，其中2用均為工頻運行。為了保證管道壓力恒定，需要人工調節回流閥開度，讓部分煤氣進行循環，這不但浪費了大量電能，還增加了人力成本。另外，由于壓縮氣體進入管道最后供玻璃廠使用，后端無儲氣罐，導致實際輸出壓力變化較大，由于人工操作閥門時間較長，當壓力上升到保護值后，為了安全期間直接跳停空氣壓縮機。
該現場正常使用2套活塞式空壓機最后輸出共管道，為了保證生產不間斷并減少人工操作，要求在1臺空壓機正常運行情況下，另一臺變頻器拖動空壓機能夠帶壓啟動（即將該臺空壓機的輸入閥、輸出閥完全打開，回流閥完全關閉）；為了最大限度節能降耗并防止壓力過高系統聯跳，要求變頻器最低運行頻率不能高于25Hz；為了實現自動調節，要求變頻器必須具備閉環PID控制功能。
針對現場情況，選擇了新風光電子科技股份有限公司生產的無感矢量型高壓變頻器驅動活塞式空壓機電機，該無感矢量型高壓變頻器具備以下特點：
低頻啟動力矩大，不小于150%啟動力矩，可解決空壓機帶壓啟動問題。
動態響應速度快，不大于50ms，可解決空壓機低頻運行電流波動大問題。
完善的PID閉環控制功能，可解決空壓機自動調壓功能。
經新風光技術人員在現場調試，變頻器成功投運，且節能效果明顯。經實際測試，活塞式空壓機帶壓啟動電流不超過電機額定電流120%，運行頻率在20.00Hz-50.00Hz之間，PID壓力閉環效果較好，各項指標可滿足甚至優于現場客戶提出要求。
圖6 帶壓啟動電流波形 圖7 低頻20Hz運行電流波形
圖8 現場活塞式空壓機
圖9 運行界面
4 結束語
本文詳細地敘述了變頻器構成原理和異步電機無感矢量控制原理，以及在活塞式空壓機上的應用。在實際使用中，解決了活塞式空壓機帶壓啟動、低頻運行、PID閉環控制等問題。實踐證明，新風光電子科技股份有限公司生產的高性能無感矢量控制型高壓變頻器能夠很好地適用于啟動力矩要求大、動態響應要求快的工業應用場合。
