矢量控制在電機振動方面的應用

夏侯斐

（中電投江西電力有限公司新昌發電分公司，江西 南昌 330117）

0 引言

交流電機具有多變量、強耦合、非線性的特點，因而其控制相當復雜[1]。在工業應用中，高壓電機出現異常振動導致系統停運與設備損壞的事故頻發。傳統的變壓變頻調速變頻器不對輸出的電壓、電流進行閉環控制，易造成電機異常振動；而矢量控制又稱為磁場定向控制，它通過對電機參數的設置建立電機模型，在運行中通過對電壓、電流的控制使電機對負載的響應達到最佳。在矢量控制時變頻器會根據電機需要的轉矩提供合適的輸出，這使得在負載波動時電機的運行更加平穩[2]。在我廠實際應用中，增壓風機增設變頻器后振動異常，在使用矢量控制方式后得到了很好的減震效果。

1 背景與概述

中電投江西電力有限公司新昌發電分公司一期工程為2×660 MW機組，鍋爐制造廠為東方鍋爐，單臺鍋爐配2臺靜葉可調式軸流增壓風機，電機選用上海電機廠YKK900-14 型，額定容量2 100 KW，額定電流273 A。因增壓風機設計選型容量裕度較大，于2013年進行了增壓風機增設變頻器改造，增壓風機由工頻運行改為變頻控制運行。在變頻器調試過程中，空載帶電機運行正常，帶風機負載運行時在20～40 Hz范圍內出現異常振動。

2 振動原因分析及措施

2.1 振動因素分析

變頻器采用變頻變壓調速方式（VVVF 控制方式）進行試運，電機振動測試結果典型代表數據分別為：在振動范圍20～42 Hz，最大振動位移10 絲；在振動范圍25～35 Hz，最大振動位移8 絲，振動大主要分布在25～35 Hz，最大振點在30 Hz附近，并且30 Hz時電機振動大但風機振動不大，分析振動原因是機械共振。

2.2 措施分析

振動原因為機械共振，可采取以下處理處理：1）加固電機基礎；2）加強風道強度；3）調試矢量控制并屏蔽振動頻率段。在上述方案中調試矢量控制最易實施，實施成本也最低，所以首先對此方案進行了試驗。

3 矢量控制方式前后的試驗數據對比

經過矢量控制的調試后，分別對A、B 增壓風機進行了帶風機運行試驗。試驗分4個步驟：1）變頻器矢量控制拖動A增壓風機單獨運行。（表1）2）變頻器矢量控制拖動B增壓風機單獨運行。（表2）3）變頻器矢量控制拖動A、B增壓風機同時運行。（表3、4）4）變頻器VVVF控制拖動A、B增壓風機同時運行。（表5）

試驗數據節選如下：

表1 單增壓風機A矢量控制下振動情況

表2 單增壓風機B矢量控制下振動情況

表3 雙增壓風機A矢量控制下振動情況

表4 雙增壓風機B矢量控制下振動情況

表5 雙增壓風機VVVF控制模式下的振動情況

通過試驗在采用矢量控制方式運行后，電機的振動有顯著下降，在VVVF控制時振動最大的30 Hz，在采用矢量控制后基本和其它頻率振動相同，僅在測量時感覺電機基礎振動大于其它頻率段；為驗證是否是矢量控制帶來的減震效果，在最后的測試中我們將變頻器的控制方式改回VVVF控制方式，此時再次測試電機的振動其振動值是矢量控制的10 倍，這證明了矢量控制在抑制振動上的作用，通過這次試驗可以認為，變頻器采用矢量控制時可以直接帶風機全頻段運行，不用對頻率段進行屏蔽。

同時，從變頻器輸出波形可以看到，矢量控制時電流波形不再發生畸變，這與電機振動的減小是同步的，這是因為矢量控制對電流的閉環控制，使得它可以在一定范圍內對電流的幅值及波形進行控制，其控制的結果就是電流的失真和波動會減小。

圖1 VVVF控制時30Hz電壓及電流波形

圖2 矢量控制時30Hz電壓及電流波形

通過對三次不同數據的分析我們發現，風機運行在振動區間（30 Hz附近）的時間越長，其振動幅值越大。這種現象與VVVF 控制方式的特點有關。在VVVF 控制方式下，變頻器并不對輸出的電壓、電流進行閉環控制，但如果改變頻率的同時不改變電壓又會使電機的磁通飽和，為保證電機的磁通恒定，VVVF控制將電壓與頻率按一定比例同時調整，這種調整屬于簡單控制而沒有對電機的實際運行情況進行檢測。因此，在這次振動問題中，因機械振動使得電機需要的轉矩不停的波動，而VVVF控制下不會對此種波動進行響應，而是按固定的轉矩輸出，此時就出現了當電機需要大轉矩時，變頻器轉矩不夠；當電機需要小轉矩時，變頻器轉矩過大；這樣就會使電機的振動越來越大，同時變頻器的輸出電流也表現為忽大忽小，嚴重時出現不正弦的畸變[3]。從測量結果看，就是在30 Hz 運行時間越長，振動幅值和范圍就越大。

4 結論

矢量控制通過對電機參數的設置建立電機模型，在運行中通過對電壓、電流的控制使電機對負載的響應達到最佳。在矢量控制時變頻器會根據電機需要的轉矩提供合適的輸出，這使得在負載波動時電機的運行更加平穩。因此在電機本身的振動并不是非常劇烈時，在使用矢量控制后可以得到改善振動的效果。

[1]李永冬.交流電機數學控制系統[M].北京：機械工業出版社.2002年.

[2]符曦.感應電動機矢量控制及應用[M].北京：機械工業出版社，1995年.

[3]李華德.交流控制系統[M].北京：電子工業出版社，2003年