SVPWM技術在離心壓縮機中的控制設計應用

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。

關鍵詞 SVPWM；離心壓縮機

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0044-02

1 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，因此在控制器的設計過程中就不能只考慮單個設備的特性，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得到了廣泛的應用，它的優(yōu)點是：控制算法簡單、數(shù)字化等。矢量控制技術是最為常用的一種，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)；τ為純滯后時間。

2.2 PID控制器的設計

本文中選擇K=22，T1=10，T2=1，τ=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控制響應曲線

圖3（a）為未加入擾動時的單位階躍響應曲線，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。當轉速達到額定值，勵磁電流恢復到空載值。

（a）勵磁電流 （b）電機轉速

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。負載轉矩就會突然增加0.2。負載轉矩的猛然增加導致電動機轉速降低，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）。負載的突然變化導致了轉子轉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)，轉速變化曲線見圖5（b）。

（a）勵磁電流 （b）電機轉速

圖5 突加負載

仿真效果良好，符合系統(tǒng)設定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機控制設計提供一定的理論參考。

4 結論

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。

參考文獻

[1]徐福根，萬建余，王立.空分設備變負荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關系及計算[J].深冷技術，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。

關鍵詞 SVPWM；離心壓縮機

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0044-02

1 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，因此在控制器的設計過程中就不能只考慮單個設備的特性，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得到了廣泛的應用，它的優(yōu)點是：控制算法簡單、數(shù)字化等。矢量控制技術是最為常用的一種，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)；τ為純滯后時間。

2.2 PID控制器的設計

本文中選擇K=22，T1=10，T2=1，τ=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控制響應曲線

圖3（a）為未加入擾動時的單位階躍響應曲線，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。當轉速達到額定值，勵磁電流恢復到空載值。

（a）勵磁電流 （b）電機轉速

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。負載轉矩就會突然增加0.2。負載轉矩的猛然增加導致電動機轉速降低，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）。負載的突然變化導致了轉子轉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)，轉速變化曲線見圖5（b）。

（a）勵磁電流 （b）電機轉速

圖5 突加負載

仿真效果良好，符合系統(tǒng)設定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機控制設計提供一定的理論參考。

4 結論

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。

參考文獻

[1]徐福根，萬建余，王立.空分設備變負荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關系及計算[J].深冷技術，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。

關鍵詞 SVPWM；離心壓縮機

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0044-02

1 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，因此在控制器的設計過程中就不能只考慮單個設備的特性，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得到了廣泛的應用，它的優(yōu)點是：控制算法簡單、數(shù)字化等。矢量控制技術是最為常用的一種，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)；τ為純滯后時間。

2.2 PID控制器的設計

本文中選擇K=22，T1=10，T2=1，τ=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控制響應曲線

圖3（a）為未加入擾動時的單位階躍響應曲線，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。當轉速達到額定值，勵磁電流恢復到空載值。

（a）勵磁電流 （b）電機轉速

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。負載轉矩就會突然增加0.2。負載轉矩的猛然增加導致電動機轉速降低，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）。負載的突然變化導致了轉子轉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)，轉速變化曲線見圖5（b）。

（a）勵磁電流 （b）電機轉速

圖5 突加負載

仿真效果良好，符合系統(tǒng)設定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機控制設計提供一定的理論參考。

4 結論

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。

參考文獻

[1]徐福根，萬建余，王立.空分設備變負荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關系及計算[J].深冷技術，2006（04）：39-42.endprint