高壓變頻器控制策略的研究及應(yīng)用

李 楠， 余建華， 濮 霞

(河北軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050061)

0 引言

根據(jù)我國有關(guān)部門的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)電量的50%以上用于推動(dòng)電機(jī)做功，其中90%的電機(jī)是交流電機(jī)，大部分能源消耗于400～40 000 kW、3～10 kV的大功率高壓交流電機(jī)。這類高壓電機(jī)被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、煤礦等大、中型企業(yè)，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等各種負(fù)載設(shè)備，而且大多數(shù)采用直接恒速拖動(dòng)，每年都會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。此類負(fù)載工況變化較大，如采用交流調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，節(jié)能效果明顯。高壓變頻器作為高壓電機(jī)調(diào)速的主要手段，已被廣大用戶所認(rèn)可，同時(shí)也被政府作為實(shí)施節(jié)能減排的手段之一而進(jìn)行了積極的推廣。

1 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換

三相異步電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，直接對其控制相當(dāng)困難，經(jīng)過矢量變換可簡化數(shù)學(xué)模型。忽略磁路飽和與鐵心損耗，并考慮到轉(zhuǎn)子回路輸入電壓等于零，可得異步電機(jī)在任意兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型。

電壓方程:

磁鏈方程:

2 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

設(shè)施加于電機(jī)的三相電源相電壓瞬時(shí)值為

式中:uAN、uBN、uCN——電機(jī)定子繞組端部 A、B、C三相對地電壓;

uAO、uBO、uCO——電機(jī)定子繞組端部 A、B、C三相對直流母線中點(diǎn)電壓;

uNO——地對直流母線中點(diǎn)電壓。

定義電機(jī)定子電壓空間矢量為

對于180°導(dǎo)通電壓型兩電平逆變器，同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)元件是互補(bǔ)動(dòng)作的，所以橋臂中點(diǎn)對地電壓只能取兩個(gè)值:Ed/2或－Ed/2。用一個(gè)開關(guān)函數(shù)表示，則有

其中，sa、sb、sc為兩個(gè)狀態(tài)。sa=1表示A橋臂上管導(dǎo)通，sa=0表示A橋臂下管導(dǎo)通，其余依次類推，故uS只有23=8個(gè)離散值，即 uS(0，0，0)～uS(1，1，1)，其中 uS(0，0，1)～ uS(1，1，0)為 6 個(gè)非零矢量，而 uS(0，0，0)和 uS(1，1，1)分別表示 A、B、C三相下橋臂或上橋臂同時(shí)導(dǎo)通。因它們相當(dāng)于把電機(jī)三相繞組短接，電機(jī)端相當(dāng)于加了零電壓，故稱零矢量。在以實(shí)軸為α軸，虛軸為β軸的平面上，各電壓矢量的空間分布如圖1所示。

圖1 空間電壓矢量圖

設(shè)圖1輸出8個(gè)空間電壓矢量:6個(gè)非零電壓矢量u1～u6，兩個(gè)零電壓矢量u0和u7。將期望的定子磁鏈圓軌跡分為6個(gè)扇區(qū)，以第一扇區(qū)為例分析直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理，圖2所示為定子磁鏈與空間電壓矢量分解圖。

圖2 定子磁鏈與電壓空間矢量圖

07鏈相同和垂直方向分解，即選定子坐標(biāo)為參考坐標(biāo)時(shí)，得到(usd，usq)分量，其正負(fù)號(hào)極性如表1所示。

忽略定子電壓壓降，當(dāng)usd為正時(shí)，定子磁鏈幅值加大;當(dāng)usd=0時(shí)，定子磁鏈幅值維持不變;當(dāng)usd為負(fù)時(shí)，定子磁鏈幅值減小。同理，當(dāng)usq為正時(shí)，定子磁鏈正向旋轉(zhuǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩加大;usq=0時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶客Ｔ谠兀豥=0，電磁轉(zhuǎn)矩減小;當(dāng)usd為負(fù)時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶糠聪蛐D(zhuǎn)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。以上分析了一個(gè)扇區(qū)內(nèi)定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，可推廣到其他5個(gè)扇區(qū)。

表1 空間電壓矢量(usd，usq)分量正負(fù)號(hào)極性

因此，根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號(hào)以及當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，選取合適的空間電壓矢量，即可實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，AFR為磁鏈調(diào)節(jié)器，即磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別與磁鏈和轉(zhuǎn)矩參考值相比較，來確定增加或減小轉(zhuǎn)矩，得到usd、usq的正負(fù)號(hào)極性，從而在u0～u7中選擇相應(yīng)的電壓矢量。

3 應(yīng)用

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

某水泥粉磨站具有一套日產(chǎn)5 000 t水泥的生產(chǎn)線，工程設(shè)計(jì)初期800 kW的排風(fēng)機(jī)及450 kW的循環(huán)風(fēng)機(jī)定速運(yùn)行，其風(fēng)量調(diào)節(jié)依靠擋板開度來控制?？紤]產(chǎn)量變化及生產(chǎn)品種的變化(水泥成品的顆粒細(xì)度不同)，需要不同的風(fēng)量來滿足工藝要求。若用擋板調(diào)節(jié)，不但控制精度較差，并且依靠擋板截流來減少風(fēng)量，電機(jī)的出力變化較小，造成大量電能被白白浪費(fèi)。為了改善工藝、降低能耗，采用某相配套的高壓變頻調(diào)速控制技術(shù)，利用高壓變頻器對800 kW的排風(fēng)機(jī)及450 kW的循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。

變頻改造的效果:(1)在最大負(fù)荷下，800 kW的排風(fēng)機(jī)及450 kW的循環(huán)風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行頻率分別約為40.5 Hz及32 Hz，高壓柜輸入電流分別約為30 A及16 A。對比改造前相同工況、產(chǎn)量基本相同的情況下，兩風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流分別約為48 A及22 A，從比較情況來看，經(jīng)變頻改造的800 kW的排風(fēng)機(jī)及450 kW的循環(huán)風(fēng)機(jī)節(jié)能分別約為33%及27%。(2)采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)電流只是額定電流，起動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)和變壓器無大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的機(jī)械損傷，有效延長了電機(jī)的有效壽命。(3)變頻改造前，風(fēng)量的調(diào)節(jié)要靠調(diào)整擋板的開度來完成，一次風(fēng)量改變通常要反復(fù)調(diào)節(jié)多次才能完成。變頻改造后，風(fēng)量調(diào)整更平穩(wěn)、精確。(4)水泥行業(yè)工藝要求風(fēng)機(jī)的調(diào)速范圍為10∶1，變頻改造后，完全可以滿足這一要求。

4 結(jié)語

目前，很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車的現(xiàn)象嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式基本通過擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，耗能大，經(jīng)濟(jì)效益差，設(shè)備損壞嚴(yán)重，急需采用先進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明，水泥行業(yè)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)是必要的、可行的，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］李永東，交流電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］龔仲華，變頻器從原理到完全應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.