高压变频器控制策略的研究及应用

时间：2024-07-06

李楠，余建华，濮霞

(河北军械工程学院，河北石家庄 050061)

0 引言

根据我国有关部门的调查统计，我国发电量的50%以上用于推动电机做功，其中90%的电机是交流电机，大部分能源消耗于400～40 000 kW、3～10 kV的大功率高压交流电机。这类高压电机被广泛应用于电力、冶金、石化、煤矿等大、中型企业，拖动风机、泵类、压缩机等各种负载设备，而且大多数采用直接恒速拖动，每年都会造成大量的能源浪费。此类负载工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。高压变频器作为高压电机调速的主要手段，已被广大用户所认可，同时也被政府作为实施节能减排的手段之一而进行了积极的推广。

1 异步电机数学模型及坐标变换

三相异步电机是一个非线性、强耦合的多变量系统，直接对其控制相当困难，经过矢量变换可简化数学模型。忽略磁路饱和与铁心损耗，并考虑到转子回路输入电压等于零，可得异步电机在任意两相旋转坐标系中的数学模型。

电压方程:

磁链方程:

2 异步电机直接转矩控制

设施加于电机的三相电源相电压瞬时值为

式中:uAN、uBN、uCN——电机定子绕组端部 A、B、C三相对地电压;

uAO、uBO、uCO——电机定子绕组端部 A、B、C三相对直流母线中点电压;

uNO——地对直流母线中点电压。

定义电机定子电压空间矢量为

对于180°导通电压型两电平逆变器，同一桥臂的上下两个开关元件是互补动作的，所以桥臂中点对地电压只能取两个值:Ed/2或－Ed/2。用一个开关函数表示，则有

其中，sa、sb、sc为两个状态。sa=1表示A桥臂上管导通，sa=0表示A桥臂下管导通，其余依次类推，故uS只有23=8个离散值，即 uS(0，0，0)～uS(1，1，1)，其中 uS(0，0，1)～ uS(1，1，0)为 6 个非零矢量，而 uS(0，0，0)和 uS(1，1，1)分别表示 A、B、C三相下桥臂或上桥臂同时导通。因它们相当于把电机三相绕组短接，电机端相当于加了零电压，故称零矢量。在以实轴为α轴，虚轴为β轴的平面上，各电压矢量的空间分布如图1所示。

图1 空间电压矢量图

设图1输出8个空间电压矢量:6个非零电压矢量u1～u6，两个零电压矢量u0和u7。将期望的定子磁链圆轨迹分为6个扇区，以第一扇区为例分析直接转矩控制的工作原理，图2所示为定子磁链与空间电压矢量分解图。

图2 定子磁链与电压空间矢量图

07链相同和垂直方向分解，即选定子坐标为参考坐标时，得到(usd，usq)分量，其正负号极性如表1所示。

忽略定子电压压降，当usd为正时，定子磁链幅值加大;当usd=0时，定子磁链幅值维持不变;当usd为负时，定子磁链幅值减小。同理，当usq为正时，定子磁链正向旋转，电磁转矩加大;usq=0时，定子磁链矢量停在原地，ωd=0，电磁转矩减小;当usd为负时，定子磁链矢量反向旋转，产生制动转矩。以上分析了一个扇区内定子磁链与电磁转矩的控制规律，可推广到其他5个扇区。

表1 空间电压矢量(usd，usq)分量正负号极性

因此，根据定子磁链和电磁转矩偏差的符号以及当前定子磁链矢量所在的位置，选取合适的空间电压矢量，即可实现电磁转矩与定子磁链的控制，控制系统结构如图3所示。其中，ATR为转矩调节器，AFR为磁链调节器，即磁链与转矩分别与磁链和转矩参考值相比较，来确定增加或减小转矩，得到usd、usq的正负号极性，从而在u0～u7中选择相应的电压矢量。

3 应用

图3 直接转矩控制系统

某水泥粉磨站具有一套日产5 000 t水泥的生产线，工程设计初期800 kW的排风机及450 kW的循环风机定速运行，其风量调节依靠挡板开度来控制。考虑产量变化及生产品种的变化(水泥成品的颗粒细度不同)，需要不同的风量来满足工艺要求。若用挡板调节，不但控制精度较差，并且依靠挡板截流来减少风量，电机的出力变化较小，造成大量电能被白白浪费。为了改善工艺、降低能耗，采用某相配套的高压变频调速控制技术，利用高压变频器对800 kW的排风机及450 kW的循环风机进行变频调速控制，实现生产能力的变负荷调节。

变频改造的效果:(1)在最大负荷下，800 kW的排风机及450 kW的循环风机高压变频调速系统的运行频率分别约为40.5 Hz及32 Hz，高压柜输入电流分别约为30 A及16 A。对比改造前相同工况、产量基本相同的情况下，两风机运行电流分别约为48 A及22 A，从比较情况来看，经变频改造的800 kW的排风机及450 kW的循环风机节能分别约为33%及27%。(2)采用变频调节后，系统实现软起动，电机起动电流只是额定电流，起动时间相应延长，对电网和变压器无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机的机械损伤，有效延长了电机的有效寿命。(3)变频改造前，风量的调节要靠调整挡板的开度来完成，一次风量改变通常要反复调节多次才能完成。变频改造后，风量调整更平稳、精确。(4)水泥行业工艺要求风机的调速范围为10∶1，变频改造后，完全可以满足这一要求。