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。要實現壓縮機的經濟運行，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節。電機拖動的空氣壓縮機常采用節流調節（入口節流和出口節流）和變壓縮機元件調節兩種調節方式，對于節流調節來說，存在著大量的能源浪費，而且調節性能也不太理想，特別是在空分系統變工況運行時，能源浪費更為嚴重，還有發生喘振的危險。文章采用SVPWM脈寬調制技術實現同步電動機變頻調速，實現了空壓機節能優化控制。

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 調研分析現狀

通過對某廠空分裝置的現場調研，發現空分離心式壓縮機存在以下問題。

1）能源浪費嚴重。

2）調節方式落后。

3）設備陳舊、故障率高。

4）喘振發生率高。

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，就調研分析的情況進行優化節能控制研究。具體內容如下。

1）變工況調節原理及調節方式的選擇。

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作為一個整體進行分析。壓縮機恒壓力控制系統如圖1所示。系統的組成主要由性能控制子裝置和矢量控制子裝置。比較系統中實際壓力與給定值壓力的壓差，經性能控制器運算得到控制信號，輸出給內環矢量控制調速系統，經調制、運算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機的轉速，以實時調節外界的工況變化。

圖1 壓縮機恒壓力控制系統框圖

某公司6#空分采用6 kV同步電動機拖動，按照國內的標準，屬于大電壓電機。就目前從節能與調速效果來看變頻調速是使用最為廣泛的一種。就現在的情況來看，SVPWM得到了廣泛的應用，它的優點是：控制算法簡單、數字化等。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，控制效果表現的比較好。

2.1 壓縮機建模分析

精確的數字模型因系統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。依據壓縮機系統的運行特性我們可以知道，開始的狀態時恒壓系統，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過程，二是恒壓過程。矢量控制調速系統和同步電機可近似等效為時間變量為常數的一階慣性環節。經過以上分析，將純滯后的兩個慣性環節串聯便可組成壓縮機的數學模型，用式（1）表示。

（>） （1）

式中，K為控制器總增益；T1系統的慣性時間常數；T2為調速系統和電機時間常數；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。首先在Simulink環境中建立系統的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環節，“1/Ti”為積分時間常數，“tou”為微分時間常數。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。

圖2 Simulink模型

參數整定后，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。通過數據圖形對比可以看出，PID控制存在超調量大、調節時間長和抗擾動性能差等缺點。

未加擾動時，系統穩定度不夠，存在較大超調，調節時間較長為32 s。加入擾動時系統的性能變的很壞，產生了很大的振蕩。整個系統經過約50 s才恢復到穩定狀態。

3 矢量控制系統仿真

使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統，對所建立的同步電機矢量控制系統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，這時的系統相對來說比較穩定。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，同時速度調節器也會上調輸出，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變趨近穩定狀態，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，符合系統設定調速要求，可以為其他系統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，由于生產需要而進行變工況調節時，需要系統能穩定在要求工作點，這不僅是生產的需要，同時工作點的穩定也能夠顯著地降低能耗。仿真結果顯示，傳統的PID控制，不利于整個壓縮機系統的節能降耗。

參考文獻

[1]徐福根，萬建余，王立.空分設備變負荷調節主要參數的關系及計算[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。要實現壓縮機的經濟運行，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節。電機拖動的空氣壓縮機常采用節流調節（入口節流和出口節流）和變壓縮機元件調節兩種調節方式，對于節流調節來說，存在著大量的能源浪費，而且調節性能也不太理想，特別是在空分系統變工況運行時，能源浪費更為嚴重，還有發生喘振的危險。文章采用SVPWM脈寬調制技術實現同步電動機變頻調速，實現了空壓機節能優化控制。

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 調研分析現狀

通過對某廠空分裝置的現場調研，發現空分離心式壓縮機存在以下問題。

1）能源浪費嚴重。

2）調節方式落后。

3）設備陳舊、故障率高。

4）喘振發生率高。

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，就調研分析的情況進行優化節能控制研究。具體內容如下。

1）變工況調節原理及調節方式的選擇。

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作為一個整體進行分析。壓縮機恒壓力控制系統如圖1所示。系統的組成主要由性能控制子裝置和矢量控制子裝置。比較系統中實際壓力與給定值壓力的壓差，經性能控制器運算得到控制信號，輸出給內環矢量控制調速系統，經調制、運算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機的轉速，以實時調節外界的工況變化。

圖1 壓縮機恒壓力控制系統框圖

某公司6#空分采用6 kV同步電動機拖動，按照國內的標準，屬于大電壓電機。就目前從節能與調速效果來看變頻調速是使用最為廣泛的一種。就現在的情況來看，SVPWM得到了廣泛的應用，它的優點是：控制算法簡單、數字化等。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，控制效果表現的比較好。

2.1 壓縮機建模分析

精確的數字模型因系統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。依據壓縮機系統的運行特性我們可以知道，開始的狀態時恒壓系統，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過程，二是恒壓過程。矢量控制調速系統和同步電機可近似等效為時間變量為常數的一階慣性環節。經過以上分析，將純滯后的兩個慣性環節串聯便可組成壓縮機的數學模型，用式（1）表示。

（>） （1）

式中，K為控制器總增益；T1系統的慣性時間常數；T2為調速系統和電機時間常數；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。首先在Simulink環境中建立系統的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環節，“1/Ti”為積分時間常數，“tou”為微分時間常數。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。

圖2 Simulink模型

參數整定后，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。通過數據圖形對比可以看出，PID控制存在超調量大、調節時間長和抗擾動性能差等缺點。

未加擾動時，系統穩定度不夠，存在較大超調，調節時間較長為32 s。加入擾動時系統的性能變的很壞，產生了很大的振蕩。整個系統經過約50 s才恢復到穩定狀態。

3 矢量控制系統仿真

使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統，對所建立的同步電機矢量控制系統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，這時的系統相對來說比較穩定。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，同時速度調節器也會上調輸出，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變趨近穩定狀態，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，符合系統設定調速要求，可以為其他系統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，由于生產需要而進行變工況調節時，需要系統能穩定在要求工作點，這不僅是生產的需要，同時工作點的穩定也能夠顯著地降低能耗。仿真結果顯示，傳統的PID控制，不利于整個壓縮機系統的節能降耗。

參考文獻

[1]徐福根，萬建余，王立.空分設備變負荷調節主要參數的關系及計算[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。要實現壓縮機的經濟運行，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節。電機拖動的空氣壓縮機常采用節流調節（入口節流和出口節流）和變壓縮機元件調節兩種調節方式，對于節流調節來說，存在著大量的能源浪費，而且調節性能也不太理想，特別是在空分系統變工況運行時，能源浪費更為嚴重，還有發生喘振的危險。文章采用SVPWM脈寬調制技術實現同步電動機變頻調速，實現了空壓機節能優化控制。

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 調研分析現狀

通過對某廠空分裝置的現場調研，發現空分離心式壓縮機存在以下問題。

1）能源浪費嚴重。

2）調節方式落后。

3）設備陳舊、故障率高。

4）喘振發生率高。

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，就調研分析的情況進行優化節能控制研究。具體內容如下。

1）變工況調節原理及調節方式的選擇。

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作為一個整體進行分析。壓縮機恒壓力控制系統如圖1所示。系統的組成主要由性能控制子裝置和矢量控制子裝置。比較系統中實際壓力與給定值壓力的壓差，經性能控制器運算得到控制信號，輸出給內環矢量控制調速系統，經調制、運算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機的轉速，以實時調節外界的工況變化。

圖1 壓縮機恒壓力控制系統框圖

某公司6#空分采用6 kV同步電動機拖動，按照國內的標準，屬于大電壓電機。就目前從節能與調速效果來看變頻調速是使用最為廣泛的一種。就現在的情況來看，SVPWM得到了廣泛的應用，它的優點是：控制算法簡單、數字化等。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，控制效果表現的比較好。

2.1 壓縮機建模分析

精確的數字模型因系統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。依據壓縮機系統的運行特性我們可以知道，開始的狀態時恒壓系統，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過程，二是恒壓過程。矢量控制調速系統和同步電機可近似等效為時間變量為常數的一階慣性環節。經過以上分析，將純滯后的兩個慣性環節串聯便可組成壓縮機的數學模型，用式（1）表示。

（>） （1）

式中，K為控制器總增益；T1系統的慣性時間常數；T2為調速系統和電機時間常數；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。首先在Simulink環境中建立系統的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環節，“1/Ti”為積分時間常數，“tou”為微分時間常數。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。

圖2 Simulink模型

參數整定后，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。通過數據圖形對比可以看出，PID控制存在超調量大、調節時間長和抗擾動性能差等缺點。

未加擾動時，系統穩定度不夠，存在較大超調，調節時間較長為32 s。加入擾動時系統的性能變的很壞，產生了很大的振蕩。整個系統經過約50 s才恢復到穩定狀態。

3 矢量控制系統仿真

使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統，對所建立的同步電機矢量控制系統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，這時的系統相對來說比較穩定。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，同時速度調節器也會上調輸出，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變趨近穩定狀態，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，符合系統設定調速要求，可以為其他系統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，由于生產需要而進行變工況調節時，需要系統能穩定在要求工作點，這不僅是生產的需要，同時工作點的穩定也能夠顯著地降低能耗。仿真結果顯示，傳統的PID控制，不利于整個壓縮機系統的節能降耗。

參考文獻

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