SVPWM技術(shù)在離心壓縮機中的控制設(shè)計應(yīng)用

1、 SVPWM技術(shù)在離心壓縮機中的控制設(shè)計應(yīng)用 李小泉摘 要 壓縮機是國民經(jīng)濟各個部門中的重要通用機械，其是工廠的耗電大戶。要實現(xiàn)壓縮機的經(jīng)濟運行，必須要控制壓縮機的變工況，這就需要對壓縮機進行準確而有效的調(diào)節(jié)。電機拖動的空氣壓縮機常采用節(jié)流調(diào)節(jié)（入口節(jié)流和出口節(jié)流）和變壓縮機元件調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式，對于節(jié)流調(diào)節(jié)來說，存在著大量的能源浪費，而且調(diào)節(jié)性能也不太理想，特別是在空分系統(tǒng)變工況運行時，能源浪費更為嚴重，還有發(fā)生喘振的危險。文章采用SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)同步電動機變頻調(diào)速，實現(xiàn)了空壓機節(jié)能優(yōu)化控制。Key SVPWM；離心壓縮機：TB657 ：A ：1671-7597（2014）05-0

2、044-021 調(diào)研分析現(xiàn)狀通過對某廠空分裝置的現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)空分離心式壓縮機存在以下問題。1）能源浪費嚴重。2）調(diào)節(jié)方式落后。3）設(shè)備陳舊、故障率高。4）喘振發(fā)生率高。本文的分析對象為某公司化肥廠空分裝置中的離心式壓縮機，就調(diào)研分析的情況進行優(yōu)化節(jié)能控制研究。具體內(nèi)容如下。1）變工況調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)方式的選擇。2）離心壓縮機性能控制器的仿真研究。3）壓縮機中電勵磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真研究。2 空氣壓縮機控制器的測試研究在空分分離裝置中，空氣壓縮機的運行方式是聯(lián)合運行的，因此在控制器的設(shè)計過程中就不能只考慮單個設(shè)備的特性，必須將壓縮機和其他管網(wǎng)作為一個整體進行分析。壓縮機恒壓力控制系統(tǒng)如圖

3、1所示。系統(tǒng)的組成主要由性能控制子裝置和矢量控制子裝置。比較系統(tǒng)中實際壓力與給定值壓力的壓差，經(jīng)性能控制器運算得到控制信號，輸出給內(nèi)環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制、運算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機的轉(zhuǎn)速，以實時調(diào)節(jié)外界的工況變化。圖1 壓縮機恒壓力控制系統(tǒng)框圖某公司6#空分采用6 kV同步電動機拖動，按照國內(nèi)的標準，屬于大電壓電機。就目前從節(jié)能與調(diào)速效果來看變頻調(diào)速是使用最為廣泛的一種。就現(xiàn)在的情況來看，SVPWM得到了廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)點是：控制算法簡單、數(shù)字化等。矢量控制技術(shù)是最為常用的一種，其性能可以同直流電機相媲美。矢量控制將定子電流在空間上分解成相互獨立的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，控

4、制難度得以簡化，控制效果表現(xiàn)的比較好。2.1 壓縮機建模分析精確的數(shù)字模型因系統(tǒng)的復(fù)雜性而很難建立，所以我們也只能將相近的模型進行分析。依據(jù)壓縮機系統(tǒng)的運行特性我們可以知道，開始的狀態(tài)時恒壓系統(tǒng)，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過程，二是恒壓過程。矢量控制調(diào)速系統(tǒng)和同步電機可近似等效為時間變量為常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)過以上分析，將純滯后的兩個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)便可組成壓縮機的數(shù)學模型，用式（1）表示。（） （1）式中，K為控制器總增益；T1系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；T2為調(diào)速系統(tǒng)和電機時間常數(shù)；為純滯后時間。2.2 PID控制器的設(shè)計本文中選擇K=22，T1=10，T2=1，=4，則近似模型為：（2）利用

5、Ziegler-Nichols法整定PID控制器中參數(shù)。首先在Simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環(huán)節(jié)，“1/Ti”為積分時間常數(shù)，“tou”為微分時間常數(shù)。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數(shù)，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。圖2 Simulink模型參數(shù)整定后，分別令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，進行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。（a）無擾動時 （b）有擾動時圖3 普通PID控制響應(yīng)曲線圖3（a）為未加入擾動時的單位階躍響應(yīng)曲線，圖3（b）為在第80 s處加入單位階

6、躍擾動信號時的單位階躍響應(yīng)曲線。通過數(shù)據(jù)圖形對比可以看出，PID控制存在超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長和抗擾動性能差等缺點。未加擾動時，系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠，存在較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時間較長為32 s。加入擾動時系統(tǒng)的性能變的很壞，產(chǎn)生了很大的振蕩。整個系統(tǒng)經(jīng)過約50 s才恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。3 矢量控制系統(tǒng)仿真使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統(tǒng)，對所建立的同步電機矢量控制系統(tǒng)的空載啟動和負載突變進行仿真實驗。3.1 空載啟動實驗速度在仿真前先歸為零，這樣電動機就可以創(chuàng)建磁場。在時間t等于零點一秒的時候，加入斜坡速度信號。電機經(jīng)過10 s的加速就會達到額定轉(zhuǎn)速。圖4（a）

7、為勵磁電流波形，在前零點一秒勵磁電流建立磁場。一旦斜坡信號增強，勵磁電流開始增大，電動機逐漸加速。當轉(zhuǎn)速達到額定值，勵磁電流恢復(fù)到空載值。（a）勵磁電流 （b）電機轉(zhuǎn)速圖4 空載啟動3.2 負載突變實驗在進行仿真運作之前的1.6 s，電機就開始啟動。當t=1.6 s的時候，這時的系統(tǒng)相對來說比較穩(wěn)定。負載轉(zhuǎn)矩就會突然增加0.2。負載轉(zhuǎn)矩的猛然增加導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速降低，同時速度調(diào)節(jié)器也會上調(diào)輸出，為了保證氣隙磁鏈的平衡值得加強勵磁電流，見圖5（a）。負載的突然變化導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近百分之零點一的降低，然后再過大約0.4 s變趨近穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化曲線見圖5（b）。（a）勵磁電流 （b）電機轉(zhuǎn)速圖5

8、 突加負載仿真效果良好，符合系統(tǒng)設(shè)定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機控制設(shè)計提供一定的理論參考。4 結(jié)論本文分析了變工況運行帶來的附加損失和控制性能對系統(tǒng)能耗的影響，指出大型離心壓縮機要盡量工作在設(shè)計工況點，由于生產(chǎn)需要而進行變工況調(diào)節(jié)時，需要系統(tǒng)能穩(wěn)定在要求工作點，這不僅是生產(chǎn)的需要，同時工作點的穩(wěn)定也能夠顯著地降低能耗。仿真結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的PID控制，不利于整個壓縮機系統(tǒng)的節(jié)能降耗。Reference1徐福根，萬建余，王立.空分設(shè)備變負荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關(guān)系及計算J.深冷技術(shù)，2006（04）：39-42.endprint摘 要 壓縮機是國民經(jīng)濟各個部門中的重要通用機械，其是工廠的耗電大戶。要

9、實現(xiàn)壓縮機的經(jīng)濟運行，必須要控制壓縮機的變工況，這就需要對壓縮機進行準確而有效的調(diào)節(jié)。電機拖動的空氣壓縮機常采用節(jié)流調(diào)節(jié)（入口節(jié)流和出口節(jié)流）和變壓縮機元件調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式，對于節(jié)流調(diào)節(jié)來說，存在著大量的能源浪費，而且調(diào)節(jié)性能也不太理想，特別是在空分系統(tǒng)變工況運行時，能源浪費更為嚴重，還有發(fā)生喘振的危險。文章采用SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)同步電動機變頻調(diào)速，實現(xiàn)了空壓機節(jié)能優(yōu)化控制。Key SVPWM；離心壓縮機：TB657 ：A ：1671-7597（2014）05-0044-021 調(diào)研分析現(xiàn)狀通過對某廠空分裝置的現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)空分離心式壓縮機存在以下問題。1）能源浪費嚴重。2）調(diào)節(jié)方式落

10、后。3）設(shè)備陳舊、故障率高。4）喘振發(fā)生率高。本文的分析對象為某公司化肥廠空分裝置中的離心式壓縮機，就調(diào)研分析的情況進行優(yōu)化節(jié)能控制研究。具體內(nèi)容如下。1）變工況調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)方式的選擇。2）離心壓縮機性能控制器的仿真研究。3）壓縮機中電勵磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真研究。2 空氣壓縮機控制器的測試研究在空分分離裝置中，空氣壓縮機的運行方式是聯(lián)合運行的，因此在控制器的設(shè)計過程中就不能只考慮單個設(shè)備的特性，必須將壓縮機和其他管網(wǎng)作為一個整體進行分析。壓縮機恒壓力控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的組成主要由性能控制子裝置和矢量控制子裝置。比較系統(tǒng)中實際壓力與給定值壓力的壓差，經(jīng)性能控制器運算得到控制信號，

11、輸出給內(nèi)環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制、運算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機的轉(zhuǎn)速，以實時調(diào)節(jié)外界的工況變化。圖1 壓縮機恒壓力控制系統(tǒng)框圖某公司6#空分采用6 kV同步電動機拖動，按照國內(nèi)的標準，屬于大電壓電機。就目前從節(jié)能與調(diào)速效果來看變頻調(diào)速是使用最為廣泛的一種。就現(xiàn)在的情況來看，SVPWM得到了廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)點是：控制算法簡單、數(shù)字化等。矢量控制技術(shù)是最為常用的一種，其性能可以同直流電機相媲美。矢量控制將定子電流在空間上分解成相互獨立的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，控制難度得以簡化，控制效果表現(xiàn)的比較好。2.1 壓縮機建模分析精確的數(shù)字模型因系統(tǒng)的復(fù)雜性而很難建立，所以我們也只能將相近的模

12、型進行分析。依據(jù)壓縮機系統(tǒng)的運行特性我們可以知道，開始的狀態(tài)時恒壓系統(tǒng)，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過程，二是恒壓過程。矢量控制調(diào)速系統(tǒng)和同步電機可近似等效為時間變量為常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)過以上分析，將純滯后的兩個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)便可組成壓縮機的數(shù)學模型，用式（1）表示。（） （1）式中，K為控制器總增益；T1系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；T2為調(diào)速系統(tǒng)和電機時間常數(shù)；為純滯后時間。2.2 PID控制器的設(shè)計本文中選擇K=22，T1=10，T2=1，=4，則近似模型為：（2）利用Ziegler-Nichols法整定PID控制器中參數(shù)。首先在Simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)的Simulink模型，如圖2所

13、示，“Kp”為比例環(huán)節(jié)，“1/Ti”為積分時間常數(shù)，“tou”為微分時間常數(shù)。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數(shù)，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。圖2 Simulink模型參數(shù)整定后，分別令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，進行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。（a）無擾動時 （b）有擾動時圖3 普通PID控制響應(yīng)曲線圖3（a）為未加入擾動時的單位階躍響應(yīng)曲線，圖3（b）為在第80 s處加入單位階躍擾動信號時的單位階躍響應(yīng)曲線。通過數(shù)據(jù)圖形對比可以看出，PID控制存在超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長和抗擾動性能差等缺點。未加擾動時

14、，系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠，存在較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時間較長為32 s。加入擾動時系統(tǒng)的性能變的很壞，產(chǎn)生了很大的振蕩。整個系統(tǒng)經(jīng)過約50 s才恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。3 矢量控制系統(tǒng)仿真使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統(tǒng)，對所建立的同步電機矢量控制系統(tǒng)的空載啟動和負載突變進行仿真實驗。3.1 空載啟動實驗速度在仿真前先歸為零，這樣電動機就可以創(chuàng)建磁場。在時間t等于零點一秒的時候，加入斜坡速度信號。電機經(jīng)過10 s的加速就會達到額定轉(zhuǎn)速。圖4（a）為勵磁電流波形，在前零點一秒勵磁電流建立磁場。一旦斜坡信號增強，勵磁電流開始增大，電動機逐漸加速。當轉(zhuǎn)速達到額定值，勵磁電流

15、恢復(fù)到空載值。（a）勵磁電流 （b）電機轉(zhuǎn)速圖4 空載啟動3.2 負載突變實驗在進行仿真運作之前的1.6 s，電機就開始啟動。當t=1.6 s的時候，這時的系統(tǒng)相對來說比較穩(wěn)定。負載轉(zhuǎn)矩就會突然增加0.2。負載轉(zhuǎn)矩的猛然增加導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速降低，同時速度調(diào)節(jié)器也會上調(diào)輸出，為了保證氣隙磁鏈的平衡值得加強勵磁電流，見圖5（a）。負載的突然變化導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近百分之零點一的降低，然后再過大約0.4 s變趨近穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化曲線見圖5（b）。（a）勵磁電流 （b）電機轉(zhuǎn)速圖5 突加負載仿真效果良好，符合系統(tǒng)設(shè)定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機控制設(shè)計提供一定的理論參考。4 結(jié)論本文分析了變工況運行帶

16、來的附加損失和控制性能對系統(tǒng)能耗的影響，指出大型離心壓縮機要盡量工作在設(shè)計工況點，由于生產(chǎn)需要而進行變工況調(diào)節(jié)時，需要系統(tǒng)能穩(wěn)定在要求工作點，這不僅是生產(chǎn)的需要，同時工作點的穩(wěn)定也能夠顯著地降低能耗。仿真結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的PID控制，不利于整個壓縮機系統(tǒng)的節(jié)能降耗。Reference1徐福根，萬建余，王立.空分設(shè)備變負荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關(guān)系及計算J.深冷技術(shù)，2006（04）：39-42.endprint摘 要 壓縮機是國民經(jīng)濟各個部門中的重要通用機械，其是工廠的耗電大戶。要實現(xiàn)壓縮機的經(jīng)濟運行，必須要控制壓縮機的變工況，這就需要對壓縮機進行準確而有效的調(diào)節(jié)。電機拖動的空氣壓縮機常采用節(jié)流調(diào)節(jié)（入

17、口節(jié)流和出口節(jié)流）和變壓縮機元件調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式，對于節(jié)流調(diào)節(jié)來說，存在著大量的能源浪費，而且調(diào)節(jié)性能也不太理想，特別是在空分系統(tǒng)變工況運行時，能源浪費更為嚴重，還有發(fā)生喘振的危險。文章采用SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)同步電動機變頻調(diào)速，實現(xiàn)了空壓機節(jié)能優(yōu)化控制。Key SVPWM；離心壓縮機：TB657 ：A ：1671-7597（2014）05-0044-021 調(diào)研分析現(xiàn)狀通過對某廠空分裝置的現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)空分離心式壓縮機存在以下問題。1）能源浪費嚴重。2）調(diào)節(jié)方式落后。3）設(shè)備陳舊、故障率高。4）喘振發(fā)生率高。本文的分析對象為某公司化肥廠空分裝置中的離心式壓縮機，就調(diào)研分析的情況進行優(yōu)化

18、節(jié)能控制研究。具體內(nèi)容如下。1）變工況調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)方式的選擇。2）離心壓縮機性能控制器的仿真研究。3）壓縮機中電勵磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真研究。2 空氣壓縮機控制器的測試研究在空分分離裝置中，空氣壓縮機的運行方式是聯(lián)合運行的，因此在控制器的設(shè)計過程中就不能只考慮單個設(shè)備的特性，必須將壓縮機和其他管網(wǎng)作為一個整體進行分析。壓縮機恒壓力控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的組成主要由性能控制子裝置和矢量控制子裝置。比較系統(tǒng)中實際壓力與給定值壓力的壓差，經(jīng)性能控制器運算得到控制信號，輸出給內(nèi)環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制、運算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機的轉(zhuǎn)速，以實時調(diào)節(jié)外界的工況變化。圖1 壓縮機

19、恒壓力控制系統(tǒng)框圖某公司6#空分采用6 kV同步電動機拖動，按照國內(nèi)的標準，屬于大電壓電機。就目前從節(jié)能與調(diào)速效果來看變頻調(diào)速是使用最為廣泛的一種。就現(xiàn)在的情況來看，SVPWM得到了廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)點是：控制算法簡單、數(shù)字化等。矢量控制技術(shù)是最為常用的一種，其性能可以同直流電機相媲美。矢量控制將定子電流在空間上分解成相互獨立的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，控制難度得以簡化，控制效果表現(xiàn)的比較好。2.1 壓縮機建模分析精確的數(shù)字模型因系統(tǒng)的復(fù)雜性而很難建立，所以我們也只能將相近的模型進行分析。依據(jù)壓縮機系統(tǒng)的運行特性我們可以知道，開始的狀態(tài)時恒壓系統(tǒng)，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過程，二是恒壓過程。

20、矢量控制調(diào)速系統(tǒng)和同步電機可近似等效為時間變量為常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)過以上分析，將純滯后的兩個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)便可組成壓縮機的數(shù)學模型，用式（1）表示。（） （1）式中，K為控制器總增益；T1系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；T2為調(diào)速系統(tǒng)和電機時間常數(shù)；為純滯后時間。2.2 PID控制器的設(shè)計本文中選擇K=22，T1=10，T2=1，=4，則近似模型為：（2）利用Ziegler-Nichols法整定PID控制器中參數(shù)。首先在Simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環(huán)節(jié)，“1/Ti”為積分時間常數(shù)，“tou”為微分時間常數(shù)。利用Ziegler-Nichols法整定控制器

21、參數(shù)，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。圖2 Simulink模型參數(shù)整定后，分別令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，進行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。（a）無擾動時 （b）有擾動時圖3 普通PID控制響應(yīng)曲線圖3（a）為未加入擾動時的單位階躍響應(yīng)曲線，圖3（b）為在第80 s處加入單位階躍擾動信號時的單位階躍響應(yīng)曲線。通過數(shù)據(jù)圖形對比可以看出，PID控制存在超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時間長和抗擾動性能差等缺點。未加擾動時，系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠，存在較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時間較長為32 s。加入擾動時系統(tǒng)的性能變的很壞，產(chǎn)生了很大的振蕩。整個系統(tǒng)經(jīng)過約50 s才恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。3 矢量控制系統(tǒng)仿真使用MATLAB/Simulink中SimP