離散變頻技術(shù)在石油天然氣站異步電機中的應(yīng)用

丁 勇

（中國石油天然氣管道工程有限公司，沈陽110000）

在石油天然氣站的應(yīng)用中，如果對異步電機施加額定電壓使電機起動，會加大異步電機承受的電流沖擊，減少異步電機的使用壽命，還會影響石油天然氣站其他設(shè)備的正常工作[1-2]。如果將降壓起動裝置應(yīng)用到石油天然氣站異步電機中，雖然可以抑制異步電機的起動電流，但是電機的電壓下降會使異步電機的起動轉(zhuǎn)矩也隨著下降，無法實現(xiàn)異步電機的重載起動[3]。如果將變頻器應(yīng)用到石油天然氣站異步電機中，即使可以滿足異步電機的性能要求，但是由于變頻器的價格昂貴，會造成石油天然氣站的投入成本變大，直接影響石油天然氣站的經(jīng)濟效益，同時，上述2 種技術(shù)沒有有效改善異步電機轉(zhuǎn)速易受電磁干擾限制的問題[4]。

基于以上背景，本文將離散變頻技術(shù)應(yīng)用到石油天然氣站異步電機中。離散變頻技術(shù)是現(xiàn)代電子通信、雷達等系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，離散變頻作為微波光子學在變頻信號的處理方面具有重要作用，可以有效解決石油天然氣站異步電機存在的瓶頸。離散變頻技術(shù)一般采用雙繞組變頻裝置，克服了異步電機轉(zhuǎn)速的限制，同時具有較高的傳輸容量以及抗電磁干擾等優(yōu)勢。有效提高了石油天然氣站異步電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)異步電機的重載起動。

1 石油天然氣站異步電機的離散變頻技術(shù)設(shè)計

1.1 分析異步電機的離散變頻相序

為了提高石油天然氣站異步電機的轉(zhuǎn)速，在分析石油天然氣站異步電機的離散變頻相序之前，先選取異步電機的最低頻段，選擇的離散頻率越低，異步電機包含的工頻半周數(shù)目就會越多，不僅增加了異步電機控制程序的復雜程度，還延長了異步電機的起動時長[5]。因此在選擇異步電機的最低頻率時，主要考慮異步電機在低頻段下是否具有足夠大起動轉(zhuǎn)矩和足夠小的起動電流，石油天然氣站異步電機在滿足轉(zhuǎn)矩和電流2 個條件的情況下，則可以進行離散變頻相序的分析。

異步電機的離散變頻原理即有選擇性地控制異步電機工頻電源半波的通斷，從而實現(xiàn)離散變頻相序的分析[6]。圖1 為石油天然氣站異步電機四分頻觸發(fā)方式。

圖1 石油天然氣站異步電機四分頻觸發(fā)方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the four-frequency trigger method of asynchronous motors in oil and gas stations

由圖1 可知，石油天然氣站異步電機每一個工頻周期都是由2 個半波組成的，經(jīng)過離散變頻后，異步電機零相位點的位置點數(shù)為

式中：r 表示異步電機的分頻數(shù)。離散變頻結(jié)束后，異步電機基波信號的零點就是原信號的零點，根據(jù)式（1）可以確定異步電機每一個分頻所對應(yīng)的的基波數(shù)[7]。異步電機經(jīng)過離散變頻后，異步電機原始半周波的相位角只有如果異步電機二分頻為90°，那么可以得到異步電機變頻波形互差相等的角度為

設(shè)異步電機原工頻信號的最初相位角為0°，那么異步電機在離散變頻下波形的初相位φr為

式中：k 表示工頻信號相位幅值。假設(shè)異步電機原工頻電源的角速度為ω，那么經(jīng)過離散變頻后，異步電機的基波角速度為ωr，對異步電機進行離散變頻后，三相對稱電壓可以表示為

式中：U 表示三相電壓諧波；t 表示相位角個數(shù)。異步電機經(jīng)過離散變頻后，b 相零點對應(yīng)原工頻B 相在時間領(lǐng)域內(nèi)的某一個點，那么B 相經(jīng)過零點時，應(yīng)該滿足：

由此可見，如果異步電機的分頻數(shù)目等于4、7、10、13 時，經(jīng)過離散變頻后，可以得到對稱的供電電源[8]。同理，可以推斷出異步電機供電電源的分頻數(shù)為

利用石油天然氣站異步電機的四分頻觸發(fā)方式，得到異步電機變頻波形互差相等的角度，對異步電機進行離散變頻處理后，推斷出異步電機供電電源的分頻數(shù)，完成了石油天然氣站異步電機的離散變頻相序分析[9]；接下來通過計算石油天然氣站異步電機的起動轉(zhuǎn)矩，來實現(xiàn)石油天然氣站異步電機的離散變頻。

1.2 計算石油天然氣站異步電機的起動轉(zhuǎn)矩

將降壓起動裝置和變頻器運用到石油天然氣站異步電機中，受到限流恒壓驅(qū)動和起動電壓的影響，起動限流加大會使電機發(fā)熱，從而降低了電機的運行速度。因此本文通過石油天然氣站異步電機在正序電壓和負序電壓下的等效電路，來求得異步電機的起動轉(zhuǎn)矩，從而提高石油天然氣站異步電機的轉(zhuǎn)速[10]。當正序電壓和負序電壓作用到石油天然氣站的異步電機上時，異步電機的等效電路如圖2所示。

圖2 石油天然氣站異步電機的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of asynchronous motor in oil and gas station

在等效電路圖中，R1、X1σ分別表示異步電機定子的電阻和電抗，R2′、X2σ′分別表示異步電機轉(zhuǎn)子的電阻和電抗，Rm、Xm分別表示勵磁電阻和電抗，s 表示離散變頻的轉(zhuǎn)差率。運用設(shè)計的電路能夠使電機電流特性曲線變得更加陡直，使電流峰值很快達到飽和狀態(tài)，得到穩(wěn)態(tài)的電流值，增加電機繞組的有效電流，使電機的無功損耗降低，從而有效抑制電磁干擾的影響，達到提高運行速度的目的。

石油天然氣站異步電機在離散變頻起動過程中，離散變頻電壓相序中不存在對稱正序的分頻段[11]，因此必須將異步電機中的基波電壓分解成相應(yīng)的正、負序分量。計算石油天然氣站異步電機的起動轉(zhuǎn)矩時，需要綜合考慮正、負序分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩[12]。

當電壓的正序分量作用于異步電機時，異步電機產(chǎn)生的正序阻抗總值Z+為

式中：j 表示電導率。根據(jù)歐姆定律可以計算出異步電機定子電流和轉(zhuǎn)子電流分別為

式中：U1+表示導體兩端的電壓。

由于異步電機勵磁電流相對于定子和轉(zhuǎn)子的電流比較小，通常情況下可以忽略不計[13]，根據(jù)異步電機轉(zhuǎn)矩計算公式，可以計算出異步電機正序電壓產(chǎn)生的正電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：np表示石油天然氣站異步電機的極對數(shù)；f 表示異步電機供電電源的工作頻率。

當電壓的負序分量作用于異步電機時，異步電機產(chǎn)生的負序阻抗總值Z-為

根據(jù)歐姆定律，得到異步電機定子電流和轉(zhuǎn)子電流分別為

利用異步電機轉(zhuǎn)矩計算公式，計算得到異步電機負序電壓產(chǎn)生的負電磁轉(zhuǎn)矩為

在沒有對稱正序組合的離散變頻技術(shù)下，異步電機產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩為

石油天然氣站的異步電機在起動時，將轉(zhuǎn)差率s＝1 代入到式（11）和式（15）中[14-15]，可以計算得到異步電機的起動轉(zhuǎn)矩為

綜上所述，基于石油天然氣站異步電機的等效電路分析，分別考慮正、負序分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，計算了異步電機產(chǎn)生的正、負序阻抗總值，結(jié)合歐姆定律計算了異步電機定子電流和轉(zhuǎn)子電流，最后通過異步電機正、負序電壓產(chǎn)生的正、負電磁轉(zhuǎn)矩，完成石油天然氣站異步電機的起動轉(zhuǎn)矩計算，實現(xiàn)了石油天然氣站異步電機的離散變頻。

圖3 仿真實驗?zāi)Ｐ虵ig.3 Simulation experiment model

2 仿真實驗分析

為了對比分析降壓起動裝置在異步電機中的應(yīng)用效果、變頻器在異步電機中的應(yīng)用效果和本文設(shè)計離散變頻技術(shù)在石油天然氣站異步電機中的應(yīng)用效果，設(shè)置不同的電磁干擾條件，進行仿真實驗分析。

2.1 構(gòu)建仿真模型

為了有效對比不同方法下石油天然氣站異步電機的離散變頻性能，搭建了仿真模型，如圖3 所示。

2.2 仿真實驗流程

實驗測試的完整性是實現(xiàn)石油天然氣站異步電機穩(wěn)定工作的前提，實驗具體實施流程如下：

步驟1：仿真程序初始化

仿真程序初始化包括異步電機離散變頻各個模塊的初始化，程序初始化流程如圖4 所示。

步驟2：檢測仿真程序

在起動異步電機之前，對仿真程序可能存在的各種故障進行檢測，如果仿真程序存在故障，立即處理故障，如果沒有故障則等待異步電機起動指令。

步驟3：選擇異步電機的起動方式

仿真程序接收到電機起動指令后，選擇合適的起動方式，仿真程序所提供的電機起動方式有離散變頻軟起動方式、電流限制起動方式等。

步驟4：判斷異步電機的運行狀態(tài)

圖4 初始化流程Fig.4 Initialization flow chart

異步電機起動完成后，分別將降壓起動技術(shù)、變頻器技術(shù)和提出的離散變頻技術(shù)載入到仿真程序中，給異步電機施加相同的頻率。

步驟5：記錄實驗結(jié)果

當給異步電機施加頻率的同時，記錄正常狀態(tài)下（無電磁干擾）異步電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)異步電機轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系，繪制石油天然氣站異步電機轉(zhuǎn)速對比曲線。

當給異步電機施加頻率的同時，分別記錄電磁干擾強度較大時和干擾強度較小時的異步電機轉(zhuǎn)速，繪制石油天然氣站異步電機轉(zhuǎn)速對比曲線。

2.3 實驗結(jié)果分析

利用上述的仿真模型和流程，得到了石油天然氣站異步電機轉(zhuǎn)速對比曲線，如圖5 所示。

圖5 石油天然氣站異步電機轉(zhuǎn)速對比曲線Fig.5 Comparison curve of asynchronous motor speed of oil and gas station

分析圖5（a）可以看出，在無電磁干擾條件下，降壓起動技術(shù)、變頻器技術(shù)和離散變頻技術(shù)均能獲得較高的異步電機轉(zhuǎn)速，三種技術(shù)下的轉(zhuǎn)速差異不明顯。

分析圖5（b）可以看出，在電磁干擾強度低的條件下，離散變頻技術(shù)的異步電機轉(zhuǎn)速明顯高于降壓起動技術(shù)和變頻器技術(shù)，應(yīng)用離散變頻技術(shù)時，在頻率為1000 Hz 時，異步電機轉(zhuǎn)速最高可達9000 r/min。

分析圖5（c）可以看出，在電磁干擾強度高的條件下，當頻率小于400 Hz 時，降壓起動技術(shù)和變頻器技術(shù)由于負載過大，使異步電機運行不穩(wěn)定，導致石油天然氣站異步電機轉(zhuǎn)速較低；雖然隨著頻率的增大，異步電機轉(zhuǎn)速有所上升，但是上升趨勢不明顯。采用離散變頻技術(shù)時，石油天然氣站異步電機轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢，雖然頻率在200 Hz～300 Hz 之間時，略有下降，但是整體轉(zhuǎn)速明顯高于降壓起動技術(shù)和變頻器技術(shù)。

通過上述分析可知，離散變頻技術(shù)可以有效抑制電磁干擾，加快石油天然氣站異步電機的轉(zhuǎn)速。這是由于該技術(shù)通過設(shè)計異步電機電路，加快了電流峰值達到飽和狀態(tài)的速度，抑制了無效電流和干擾電流，增加了電機繞組的有效電流，實現(xiàn)了對電磁干擾的抑制，從而達到了提高運行速度的目的。

3 結(jié)語

本文提出了離散變頻技術(shù)在石油天然氣站異步電機中的應(yīng)用。通過異步電機離散變頻處理得到異步電機供電電源的分頻數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并分析異步電機的等效電路，計算異步電機產(chǎn)生的正、負序阻抗總值，并進行正負電磁之間的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)石油天然氣站異步電機的離散變頻。實驗結(jié)果表明，石油天然氣站異步電機的離散變頻技術(shù)能有效抑制不同程度的電磁干擾，具有較高的變頻性能。