1引言

江西省宏宇能源发展有限公司是一家集新能源、新材料于一体的从事太阳能建筑一体化节能环保建材生产、加工及销售的新型工业化循环经济企业，其主要产品为太阳能超白玻璃、 节能玻璃、捣固焦。该企业焦化分厂共计4套活塞式空气压缩机，采用2用2备模式运行，压缩机系统产生压缩煤气供其玻璃分厂使用。由于压缩机电机采用工频运行，依靠人工调节阀门来控制管道压力，造成很大程度的电能浪费和人力浪费。为降低年用电量、减少人力浪费，决定增设2台高压变频器，采取1拖2结构，实现由变频器调节电机转速，以达到节能的目的。

高压变频器改造系统中，各压缩机及电机、传感器及变频器采用闭环控制，并通过友好界面进行简便的、就地（远程）操作。系统运行参数、报警信息等可显示到触摸屏上。

2 无感矢量型变频器原理

2.1 变频器基本原理及构成

变频器是将电网电压提供的恒压恒频转换成电压和频率都可以通过控制改变的转换器，它可使电动机在变频电压的电源驱动下发挥更好的工作性能。简而言之，变频器输出的电压和频率分别可调。因此，变频器能够实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数等功能。

本文中所涉及的异步电动机、变频器为高电压等级，常见为6kV、10kV,其中变频器为级联式电压源型高压变频器。下面对级联式高压变频器其结构、工作原理做说明。

图1  级联式高压变频器结构图

如图1所示，级联式高压变频器主回路由输入移相变压器、功率单元、主控系统及电气控制构成。电网输入为三相10kV或6kV，经过移相变压器变为n个低压、独立、移相二次绕组电源，依次接入功率单元模块，经过整流、滤波和逆变输出单相交流电源。移相变压器电流多重化作用可以降低电网侧电流谐波。以6kV 高压变频器为例，5个二次绕组通过不同的联结方式使它们之间的电流相位差为12°，在变压器一次绕组侧构成30脉波整流电路，理论上可以消除电网侧29次以下谐波。

图2  功率单元基本结构图

采用功率单元串联，不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。输入功率因数可达到0.95以上。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但是由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96%以上。

如图2所示，功率单元是由4个低压绝缘栅双极晶体管（IGBT）构成的低压PWM电压型逆变器。可输出1,0，-1三种状态电平；每相5个功率单元叠加，由于采用多重化SVPWM技术，可以产生11种不同的电平等级，可得到具有11级阶梯电平的相电压波形和21级阶梯电平的线电压波形。使得输出波形接近正弦波，输出谐波小。

6kV每相5个单元级联多电平变频器电压叠加原理（以A相为例）如图3所示：

图3  串联多电平变频器相电压波形图         

每相单元输出波形的电平数为11个阶梯波。

图4  串联多电平变频器线电压波形图

2.2 异步电机无感矢量控制原理

2.2.1 异步电机基本方程

在以转子磁场定向的同步旋转坐标系dq轴下，异步电动机的动态数学模型为

（1）电压方程为：(2-1)

式中，usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq分别为定子电压、转子电压、定子电流、转子电流、在dq轴上的分量；ws为转差角速度，即ws=we-wr；we为同步角速度；wr为转子角速度。由于这里只考虑鼠笼型三相异步电动机，因此在式(2-1)所示的电压方程中第三、第四行内的转子电压分量urd、urq均为0。

（2）磁链方程为 (2-2)

式中，Ls、Lr为定子和转子的自感；Lm为定转子互感。

转子磁链为(2-3)

式中，p为微分算子，从式中可见转子磁链的幅值yr与定子电流在d轴上的分量isd成比例，而与定子电流在q轴上的分量isq无关，且式（2-3）表明，转子磁链yr与定子电流的励磁分量isd之间是一阶惯性环节的传递函数关系。

（3）转矩方程为 (2-4)

从上式可以看出，在以转子磁场定向的同步旋转坐标系上，三相异步电动机的电磁转矩模型几乎与直流电动机的电磁转矩模型完全一样，均和磁链与转矩电流的乘积成正比。

2.2.2 转子磁链的观测

(1) 电流型磁链观测器

利用检测得到的定子电流以及转速信号根据异步电机模型在两相静止坐标系下可计算得到(2-5)

由式(2-5)可知，电流模型转子磁链观测器中没有纯积分环节，因此没有积分漂移问题，能够在整个速度范围内观测转子磁链，但是模型中包含有转子转速信息，故模型比较适合有速度传感器矢量控制系统中。与此同时模型中用到了转子时间常数，随着电机长时间运行内部温度的变化，转子电阻会发生较大的变化，造成观测器的准确性降低。因此电流模型转子磁链观测器不适用于无速传感器度矢量控制系统中。

(2) 电压型磁链观测器

利用检测得到的定子电流、电压信号根据异步电机模型在两相静止坐标系下可计算得到(2-6)

其中

由式(2-6)可知电压模型实际上是由定子反电势的积分得到的定子磁链，然后根据与转子磁链的关系推导出的转子磁链。相比电流模型，电压模型最大的优点是模型中不含电机转子电阻，受转子参数影响较小，仅与电机定子参数有关，而且不含有电机转速信号，因此电压模型转子磁链观测器适用于无速传感器度矢量控制系统中。但是，该方法的缺点也很明显：转子磁链由转子感应电压积分得到，积分环节的误差累积和积分漂移现象比较明显，甚至导致整个系统不能稳定运行。

2.2.3 基于转子磁链的MRAS速度观测器

根据上述分析，从异步电机两相静止坐标系下的数学模型，可以得到两种不同形式的转子磁链估算模型，即电压模型和电流模型，根据式(2-5)和式(2-6)可知，转子磁链的电流模型包含转速信息，而电压模型与转速无关，因此可以构造MRAS系统，选择电压模型作为参考模型，电流模型作为自适应模型，以电压模型和电流模型估测磁链的广义误差作为自适应机构的输入，采用PI调节器作为自适应机构对速度进行辨识，转子转速辨识公式为 (2-7)

但是，如上文所述，电压模型存在一些固有缺点，需要一些改善措施。在参考模型中引入高通滤波环节，来削弱电压模型中纯积分的影响，滤除输出磁链中的低频成分和直流漂移。同时，为了平衡该环节的引入带来的磁链估计相移偏差，在可调模型中串接相同的环节其结构如图5所示。

图5  基于转子磁链的MRAS转速辨识方法结构图

3 活塞式空压机特性及现场应用情况

活塞式空压机依靠活塞在汽缸内做往复运行，从而使气缸内气体容积发生变化，并与气缸内气阀做相应的开闭动作配合，通过吸气、压缩、排气等动作，将无压或低压气体升压，输出到管道或储压气罐内。其特性如下：

(1)机械特性具有恒转矩特性，且其飞轮力矩大，需要较大的启动转矩。一般要求空压启动，即在启动前保证进气压力与出气压力相等。

(2)吸气与排气两个过程对外所需要力矩不等，吸气时需要力矩较小，排气时需要力矩较大。

(3)一般受到活塞润滑、阀门开闭、散热等影响，运行频率较高。

该焦化厂4套活塞式空压机型号均为D-210/2，D-210/2型煤气压缩机系二列对称平衡型往复活塞式空气压缩机。

在未改造前，采样2用2备运行模式，其中2用均为工频运行。为了保证管道压力恒定，需要人工调节回流阀开度，让部分煤气进行循环，这不但浪费了大量电能，还增加了人力成本。另外，由于压缩气体进入管道最后供玻璃厂使用，后端无储气罐，导致实际输出压力变化较大，由于人工操作阀门时间较长，当压力上升到保护值后，为了安全期间直接跳停空气压缩机。

该现场正常使用2套活塞式空压机最后输出共管道，为了保证生产不间断并减少人工操作，要求在1台空压机正常运行情况下，另一台变频器拖动空压机能够带压启动（即将该台空压机的输入阀、输出阀完全打开，回流阀完全关闭）；为了最大限度节能降耗并防止压力过高系统联跳，要求变频器最低运行频率不能高于25Hz；为了实现自动调节，要求变频器必须具备闭环PID控制功能。

       针对现场情况，选择了开云(中国)电子科技股份有限公司生产的无感矢量型高压变频器驱动活塞式空压机电机，该无感矢量型高压变频器具备以下特点：

• 低频启动力矩大，不小于150%启动力矩，可解决空压机带压启动问题。

• 动态响应速度快，不大于50ms，可解决空压机低频运行电流波动大问题。

• 完善的PID闭环控制功能，可解决空压机自动调压功能。

 经开云(中国)技术人员在现场调试，变频器成功投运，且节能效果明显。经实际测试，活塞式空压机带压启动电流不超过电机额定电流120%，运行频率在20.00Hz-50.00Hz之间，PID压力闭环效果较好，各项指标可满足甚至优于现场客户提出要求。

图6  带压启动电流波形                              图7  低频20Hz运行电流波形

图8  现场活塞式空压机

图9  运行界面

4 结束语

       本文详细地叙述了变频器构成原理和异步电机无感矢量控制原理，以及在活塞式空压机上的应用。在实际使用中，解决了活塞式空压机带压启动、低频运行、PID闭环控制等问题。实践证明，开云(中国)电子科技股份有限公司生产的高性能无感矢量控制型高压变频器能够很好地适用于启动力矩要求大、动态响应要求快的工业应用场合。