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)品為太陽能超白玻璃、 節(jié)能玻璃、搗固焦。該企業(yè)焦化分廠共計4套活塞式空氣壓縮機(jī)，采用2用2備模式運行，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)采用工頻運行，依靠人工調(diào)節(jié)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(shè)2臺高壓變頻器，采取1拖2結(jié)構(gòu)，實現(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)行簡便的、就地（遠(yuǎn)程）操作。系統(tǒng)運行參數(shù)、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(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，它可使電動機(jī)在變頻電壓的電源驅(qū)動下發(fā)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(diào)。因此，變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)等功能。

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

圖1  級聯(lián)式高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，級聯(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)閚個低壓、獨立、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，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(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)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸下，異步電動機(jī)的動態(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無關(guān)，且式（2-3）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈yr與定子電流的勵磁分量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)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型幾乎與直流電動機(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

(1) 電流型磁鏈觀測器

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

由式(2-5)可知，電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器中沒有純積分環(huán)節(jié)，因此沒有積分漂移問題，能夠在整個速度范圍內(nèi)觀測轉(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。與此同時模型中用到了轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，隨著電機(jī)長時間運行內(nèi)部溫度的變化，轉(zhuǎn)子電阻會發(fā)生較大的變化，造成觀測器的準(zhǔn)確性降低。因此電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器不適用于無速傳感器度矢量控制系統(tǒng)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(jù)異步電機(jī)模型在兩相靜止坐標(biāo)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(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，因此電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器適用于無速傳感器度矢量控制系統(tǒng)中。但是，該方法的缺點也很明顯：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)致整個系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。

2.2.3 基于轉(zhuǎn)子磁鏈的MRAS速度觀測器

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)對速度進(jìn)行辨識，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)，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(huán)節(jié)的引入帶來的磁鏈估計相移偏差，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)速辨識方法結(jié)構(gòu)圖

3 活塞式空壓機(jī)特性及現(xiàn)場應(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(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，需要較大的啟動轉(zhuǎn)矩。一般要求空壓啟動，即在啟動前保證進(jìn)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(jī)型號均為D-210/2，D-210/2型煤氣壓縮機(jī)系二列對稱平衡型往復(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(diào)節(jié)回流閥開度，讓部分煤氣進(jìn)行循環(huán)，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(jìn)入管道最后供玻璃廠使用，后端無儲氣罐，導(dǎo)致實際輸出壓力變化較大，由于人工操作閥門時間較長，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臺空壓機(jī)正常運行情況下，另一臺變頻器拖動空壓機(jī)能夠帶壓啟動（即將該臺空壓機(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，要求變頻器最低運行頻率不能高于25Hz；為了實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，要求變頻器必須具備閉環(huán)PID控制功能。

       針對現(xiàn)場情況，選擇了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的無感矢量型高壓變頻器驅(qū)動活塞式空壓機(jī)電機(jī)，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(jī)帶壓啟動問題。

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

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

 經(jīng)新風(fēng)光技術(shù)人員在現(xiàn)場調(diào)試，變頻器成功投運，且節(jié)能效果明顯。經(jīng)實際測試，活塞式空壓機(jī)帶壓啟動電流不超過電機(jī)額定電流120%，運行頻率在20.00Hz-50.00Hz之間，PID壓力閉環(huán)效果較好，各項指標(biāo)可滿足甚至優(yōu)于現(xiàn)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(xiàn)場活塞式空壓機(jī)

圖9  運行界面

4 結(jié)束語

       本文詳細(xì)地敘述了變頻器構(gòu)成原理和異步電機(jī)無感矢量控制原理，以及在活塞式空壓機(jī)上的應(yīng)用。在實際使用中，解決了活塞式空壓機(jī)帶壓啟動、低頻運行、PID閉環(huán)控制等問題。實踐證明，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(tài)響應(yīng)要求快的工業(yè)應(yīng)用場合。