高壓變頻器控制策略的研究及應用

李 楠， 余建華， 濮 霞

(河北軍械工程學院，河北石家莊 050061)

0 引言

根據我國有關部門的調查統計，我國發電量的50%以上用于推動電機做功，其中90%的電機是交流電機，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。這類高壓電機被廣泛應用于電力、冶金、石化、煤礦等大、中型企業，拖動風機、泵類、壓縮機等各種負載設備，而且大多數采用直接恒速拖動，每年都會造成大量的能源浪費。此類負載工況變化較大，如采用交流調速技術實現變速運行，節能效果明顯。高壓變頻器作為高壓電機調速的主要手段，已被廣大用戶所認可，同時也被政府作為實施節能減排的手段之一而進行了積極的推廣。

1 異步電機數學模型及坐標變換

三相異步電機是一個非線性、強耦合的多變量系統，直接對其控制相當困難，經過矢量變換可簡化數學模型。忽略磁路飽和與鐵心損耗，并考慮到轉子回路輸入電壓等于零，可得異步電機在任意兩相旋轉坐標系中的數學模型。

電壓方程:

磁鏈方程:

2 異步電機直接轉矩控制

設施加于電機的三相電源相電壓瞬時值為

式中:uAN、uBN、uCN——電機定子繞組端部 A、B、C三相對地電壓;

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

uNO——地對直流母線中點電壓。

定義電機定子電壓空間矢量為

對于180°導通電壓型兩電平逆變器，同一橋臂的上下兩個開關元件是互補動作的，所以橋臂中點對地電壓只能取兩個值:Ed/2或－Ed/2。用一個開關函數表示，則有

其中，sa、sb、sc為兩個狀態。sa=1表示A橋臂上管導通，sa=0表示A橋臂下管導通，其余依次類推，故uS只有23=8個離散值，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導通。因它們相當于把電機三相繞組短接，電機端相當于加了零電壓，故稱零矢量。在以實軸為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

設圖1輸出8個空間電壓矢量:6個非零電壓矢量u1～u6，兩個零電壓矢量u0和u7。將期望的定子磁鏈圓軌跡分為6個扇區，以第一扇區為例分析直接轉矩控制的工作原理，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，即選定子坐標為參考坐標時，得到(usd，usq)分量，其正負號極性如表1所示。

忽略定子電壓壓降，當usd為正時，定子磁鏈幅值加大;當usd=0時，定子磁鏈幅值維持不變;當usd為負時，定子磁鏈幅值減小。同理，當usq為正時，定子磁鏈正向旋轉，電磁轉矩加大;usq=0時，定子磁鏈矢量停在原地，ωd=0，電磁轉矩減小;當usd為負時，定子磁鏈矢量反向旋轉，產生制動轉矩。以上分析了一個扇區內定子磁鏈與電磁轉矩的控制規律，可推廣到其他5個扇區。

表1 空間電壓矢量(usd，usq)分量正負號極性

因此，根據定子磁鏈和電磁轉矩偏差的符號以及當前定子磁鏈矢量所在的位置，選取合適的空間電壓矢量，即可實現電磁轉矩與定子磁鏈的控制，控制系統結構如圖3所示。其中，ATR為轉矩調節器，AFR為磁鏈調節器，即磁鏈與轉矩分別與磁鏈和轉矩參考值相比較，來確定增加或減小轉矩，得到usd、usq的正負號極性，從而在u0～u7中選擇相應的電壓矢量。

3 應用

圖3 直接轉矩控制系統

某水泥粉磨站具有一套日產5 000 t水泥的生產線，工程設計初期800 kW的排風機及450 kW的循環風機定速運行，其風量調節依靠擋板開度來控制。考慮產量變化及生產品種的變化(水泥成品的顆粒細度不同)，需要不同的風量來滿足工藝要求。若用擋板調節，不但控制精度較差，并且依靠擋板截流來減少風量，電機的出力變化較小，造成大量電能被白白浪費。為了改善工藝、降低能耗，采用某相配套的高壓變頻調速控制技術，利用高壓變頻器對800 kW的排風機及450 kW的循環風機進行變頻調速控制，實現生產能力的變負荷調節。

變頻改造的效果:(1)在最大負荷下，800 kW的排風機及450 kW的循環風機高壓變頻調速系統的運行頻率分別約為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、產量基本相同的情況下，兩風機運行電流分別約為48 A及22 A，從比較情況來看，經變頻改造的800 kW的排風機及450 kW的循環風機節能分別約為33%及27%。(2)采用變頻調節后，系統實現軟起動，電機起動電流只是額定電流，起動時間相應延長，對電網和變壓器無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機的機械損傷，有效延長了電機的有效壽命。(3)變頻改造前，風量的調節要靠調整擋板的開度來完成，一次風量改變通常要反復調節多次才能完成。變頻改造后，風量調整更平穩、精確。(4)水泥行業工藝要求風機的調速范圍為10∶1，變頻改造后，完全可以滿足這一要求。

4 結語

目前，很多水泥廠的風機大馬拉小車的現象嚴重。風機的風量調節方式基本通過擋板進行調節，耗能大，經濟效益差，設備損壞嚴重，急需采用先進的高壓變頻調速進行技術改造，以降低水泥廠的電耗，提高企業的經濟效益。實踐證明，水泥行業風機采用高壓變頻調速技術是必要的、可行的，且經濟效益顯著。

［1］陳伯時，陳敏遜.交流調速系統［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［2］李永東，交流電動機數字控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2003.

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