電勵磁同步電機(jī)VF控制與矢量控制對比分析*

高巧玲

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 株洲 421001）

1 引言

大功率風(fēng)機(jī)、水泵的采用變頻器調(diào)速可以起到顯著的節(jié)能效果［1］。主抽風(fēng)機(jī)是鋼鐵廠燒結(jié)生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，由風(fēng)機(jī)控制的風(fēng)量、風(fēng)壓的穩(wěn)定性直接關(guān)系到燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量，其能耗也占到整個生產(chǎn)線的一半左右［2］，在采用變頻調(diào)速以前，風(fēng)壓和流量的調(diào)節(jié)通常采用調(diào)節(jié)主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門來完成，正常生產(chǎn)時(shí)風(fēng)門開度一般在60%附近，該調(diào)節(jié)方式導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)。

由于同步電機(jī)的高效率和高功率密度，以及同步電機(jī)可改善電網(wǎng)功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，鋼鐵廠主抽風(fēng)機(jī)采用電勵磁同步電機(jī)拖動風(fēng)機(jī)成為一種趨勢。然而采用電勵磁同步電機(jī)卻給高壓變頻器調(diào)速帶來了新的挑戰(zhàn)，由于電勵磁同步電機(jī)的控制比異步電機(jī)復(fù)雜；同步的啟動方式、同步方式、勵磁控制方法、電機(jī)控制方法等與異步電機(jī)完全不同［3～5］；鋼鐵主抽風(fēng)機(jī)領(lǐng)域基于電勵磁同步電機(jī)控制技術(shù)的高壓變頻調(diào)速在國內(nèi)的可供借鑒的成功案例和相關(guān)文獻(xiàn)也還很少。

本文借某鋼鐵廠主抽風(fēng)機(jī)電勵磁同步電機(jī)高壓變頻調(diào)速的實(shí)際應(yīng)用機(jī)會，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵廠主抽風(fēng)機(jī)領(lǐng)域的電勵磁同步電機(jī)VF控制、無速度傳感器矢量控制、自動勵磁調(diào)節(jié)功能、飛車起動功能等，完善了高壓變頻器調(diào)速在鋼鐵廠風(fēng)機(jī)領(lǐng)域及其它相關(guān)采用電勵磁同步電機(jī)拖動領(lǐng)域的技術(shù)積累。對相關(guān)領(lǐng)域有很高的參考和借鑒價(jià)值。

2 鋼鐵主抽風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要特點(diǎn)

主抽風(fēng)機(jī)由額定電壓10kV、額定功率7000kW的電勵磁同步電機(jī)聯(lián)軸器拖動離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)入口有風(fēng)門，可以通過風(fēng)門調(diào)節(jié)控制風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量和風(fēng)壓，并以此來控制風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和電場入口壓力，風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和電場入口壓力的大小及穩(wěn)定性將直接影響燒結(jié)礦的正常生產(chǎn)。在采用變頻調(diào)速以前，風(fēng)壓和流量的調(diào)節(jié)通常采用調(diào)節(jié)主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度來完成，正常生產(chǎn)時(shí)風(fēng)門開度一般在60%附近，該調(diào)節(jié)方式導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)。

風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能，也就是達(dá)到在風(fēng)門開度為100%的情況下，通過對同步電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和電場入口壓力調(diào)節(jié)。因此主抽風(fēng)機(jī)的變頻控制就轉(zhuǎn)化為在風(fēng)門開度為100%的情況下實(shí)現(xiàn)對變頻器對電勵磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，這種控制須滿足以下兩方面要求：一方面要能實(shí)現(xiàn)風(fēng)門開度100%情況下的對風(fēng)機(jī)的調(diào)速，也就是對風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和電場入口壓力能進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，以保證節(jié)能；另一方面這種調(diào)速要滿足生產(chǎn)過程對風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和電場入口壓力的穩(wěn)定性要求，以保證生產(chǎn)的質(zhì)量。

3 電勵磁同步電機(jī)VF控制

首先實(shí)現(xiàn)在電勵磁同步電機(jī)VF控制，并實(shí)現(xiàn)了VF控制下的飛車起動和自動勵磁調(diào)節(jié)、功率因數(shù)調(diào)節(jié)等功能。實(shí)現(xiàn)了風(fēng)門開度為100%情況下的調(diào)頻調(diào)速，能基本滿足正常生產(chǎn)要求和節(jié)能的目的。VF控制下同步電機(jī)的起動過程如圖1所示。

圖1 VF控制異步起動過程（飛車起動）

由圖1可以看出電機(jī)起動過程分為：轉(zhuǎn)速追蹤階段、異步加速階段、投勵階段、同步轉(zhuǎn)速上升和穩(wěn)定階段，共4個階段。

VF控制能基本滿足工況要求，但還存在一些問題。

1）投勵可能不成功

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析：采用傳統(tǒng)的投勵方式，同步電動機(jī)的起動性能好壞直接與投勵功角相關(guān)，要做到順極式投勵，則須要增加相應(yīng)的檢測裝置［4］，這在現(xiàn)實(shí)工況下比較難實(shí)現(xiàn)。所以在傳統(tǒng)的投勵方式下，同步電機(jī)采用VF控制的起動過程中可能出現(xiàn)投勵不成功的情況，導(dǎo)致生產(chǎn)起動電機(jī)時(shí)往往要多次才能成功起動電機(jī)，給生產(chǎn)造成影響，在生產(chǎn)方不理解的情況下甚至影響變頻器廠家的聲譽(yù)。

2）正常運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)異常波動

這種波動體現(xiàn)在電機(jī)電流突然波動，風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和電場入口壓力也出現(xiàn)一致的波動，直接影響生產(chǎn)，這種波動有些可以通過關(guān)閉部分風(fēng)門解決，有些波動可能直接無法調(diào)回到穩(wěn)定態(tài)而直接導(dǎo)致變頻器故障停機(jī)，影響較大。圖2為正常運(yùn)行過程中突然出現(xiàn)的電機(jī)電流及相應(yīng)壓力的波動波形。

圖2 VF控制出現(xiàn)波動現(xiàn)象

4 電勵磁同步電機(jī)矢量控制

為了解決VF控制下出現(xiàn)的問題，進(jìn)行一步實(shí)現(xiàn)了電勵磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制，同時(shí)采用一種基于反電勢的轉(zhuǎn)速追蹤方法實(shí)現(xiàn)矢量控制情況下的帶速重投。

4.1 電勵磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制

1）基于電壓外環(huán)的d軸電流的控制方法

由于基于id=0的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制當(dāng)負(fù)載增加，定子電流增大，轉(zhuǎn)子磁鏈不變，合成磁動勢也會隨著定子電流增大而增大，同時(shí)負(fù)載功角的增加，會使得電動機(jī)定子電壓升高，功率因數(shù)降低［6～9］。

為了解決同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制時(shí)，隨著負(fù)載增加定子電流增大，造成變頻器裝置容量增加的問題，為定子勵磁電流增加電壓調(diào)節(jié)外環(huán)，調(diào)節(jié)以變頻器輸出電壓為輸入，輸出為定子勵磁電流的給定，通過電壓調(diào)節(jié)器使變頻器輸出電壓不超出變頻器的最大電壓輸出能力或者電機(jī)的額定電壓。

2）基于功率因數(shù)閉環(huán)的勵磁電流控制

可改善電網(wǎng)功率因數(shù)是同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同步電機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)可以通過定子勵磁電流來調(diào)節(jié)，也可以通過轉(zhuǎn)子勵磁電流來調(diào)節(jié)，而轉(zhuǎn)子勵磁電流影響電機(jī)磁鏈，轉(zhuǎn)子勵磁電流的調(diào)節(jié)可以影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

由于定子勵磁電流外環(huán)以輸出電壓為控制目的，功率因數(shù)調(diào)節(jié)任務(wù)分配給同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此轉(zhuǎn)子勵磁電流采用雙閉的控制策略，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為功率因數(shù)環(huán)。雙閉環(huán)轉(zhuǎn)子勵磁電流控制框圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子勵磁電流控制框圖

3）矢量控制框圖

基于轉(zhuǎn)子磁場定向的電勵磁同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成，以轉(zhuǎn)速和輸出電壓幅值為控制目標(biāo)的雙閉環(huán)矢量控制部分、以功率因數(shù)及轉(zhuǎn)子勵磁電流為控制目標(biāo)的轉(zhuǎn)子勵磁控制部分、轉(zhuǎn)速自適應(yīng)估計(jì)部分。其中轉(zhuǎn)速自適應(yīng)估計(jì)部分為矢量控制部分提供轉(zhuǎn)速信息和定向角度信息［10～15］。

圖4 電勵同步電機(jī)無速度傳感器矢量控制框圖

4.2 基于反電動勢的轉(zhuǎn)速追蹤

當(dāng)控制器封鎖脈沖或都變頻器直接停機(jī)后需要帶速重投時(shí)，給定電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流，此時(shí)電機(jī)定子側(cè)電樞繞組將建立起電壓，實(shí)為反電動勢，但無電流，此時(shí)電機(jī)反電動勢如式（1）所示：

由式（1）到（4）可得到此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此時(shí)轉(zhuǎn)速的估計(jì)只與電機(jī)定子電樞電壓即反電動勢有關(guān)，所以此過程與電機(jī)矢量控制相互獨(dú)立，可以有矢量控制不啟動的情況下獨(dú)立實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的追蹤。

無速度傳感器矢量控制下的飛車起動過程如5所示。從圖中可以看到帶速重投過程主要包括三個階段：轉(zhuǎn)速追蹤階段、控制系統(tǒng)重投階段、轉(zhuǎn)速上升或調(diào)整階段。轉(zhuǎn)速追蹤階段由于控制系統(tǒng)的退出，由于系統(tǒng)慣性的作用電機(jī)轉(zhuǎn)速的緩慢下降，此過程控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速追蹤獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速信息及矢量控制定向角度的初始值。控制系統(tǒng)重投階段，控制系統(tǒng)重新投入，矢量控制及速度估計(jì)控制算法開始運(yùn)行。轉(zhuǎn)速上升或調(diào)整階段，隨著變頻器拖動電機(jī)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速開始上升。

圖5 矢量控制帶速重投起動過程

5 電勵磁同步電機(jī)矢量控制與VF控制性能對比分析

電勵磁同步電機(jī)矢量控制能很好的解決VF控制方式下投勵可能不成功和出現(xiàn)異常波動的問題，經(jīng)過觀察和對比分析可矢量控制方式還有具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）電流更穩(wěn)定

圖6 穩(wěn)態(tài)電流

如圖4中，矢量控制情況下電流約230A，波動在2A以內(nèi)，不到1%；而VF控制情況下電流300A，波動帶到21A，接近7.5%。

2）風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和出口壓力的穩(wěn)定性更高

圖7 穩(wěn)態(tài)負(fù)壓

如圖7中，矢量控制情況下，負(fù)壓在-14MPa時(shí)，波動在0.1MPa以內(nèi)，約0.7%；而VF控制情況下，負(fù)壓在-9MPa時(shí)，壓力波動達(dá)0.23MPa，約2.6%。

風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力和出口壓力的穩(wěn)定性直接影響了電場入口壓力和生產(chǎn)質(zhì)量。

3）變頻器輸出電流更小

圖8為主抽風(fēng)機(jī)人機(jī)界面顯示的變頻器及電機(jī)的運(yùn)行頻率和電流等信息。其中主電機(jī)電流、主電機(jī)電壓分別為變頻器輸入電流和網(wǎng)壓。圖中記錄的兩個時(shí)刻僅控制方式不同，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電網(wǎng)電壓及功率因數(shù)均相等。

圖8 兩種控制方式變頻器輸入輸出電流

由于正常生產(chǎn)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速基本在40Hz左右，此時(shí)如果是VF控制，則電機(jī)端電壓（變頻器輸出電壓）8000V左右，變頻器沒有滿電壓輸出；而采用矢量控制時(shí)，電機(jī)端電壓達(dá)到了變頻器最大輸出電壓。所以會出現(xiàn)如圖6中，變頻器輸入電流（分別為214A和213A）相等的情況下，VF控制下的變頻器輸出電流（273A）大于矢量控制下的變頻器輸出電流（237A）的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在電機(jī)運(yùn)行頻率越低時(shí)越明顯。這在一定程度上增加了變頻器的發(fā)熱和損耗，也影響變頻器的壽命。

4）起動過程平穩(wěn)且起動電流小

由圖1和圖6可知，矢量控制情況下，電機(jī)起動過程更平穩(wěn)且起動電流更小，而且矢量控制可以有風(fēng)門開度為100%的情況下直接起動，而VF控制必須先將風(fēng)門關(guān)閉然后再起動。

以上各優(yōu)勢表明矢量控制不論在滿足生產(chǎn)的要求上，還是在節(jié)能的目標(biāo)上，以及對設(shè)備的保護(hù)性能上都更適應(yīng)鋼鐵廠主抽風(fēng)機(jī)電勵磁同步電機(jī)的調(diào)速。

6 結(jié)語

本文介紹了鋼鐵廠主抽風(fēng)機(jī)工況特點(diǎn)，分析了高壓變頻器用于主抽風(fēng)機(jī)電勵磁同步電機(jī)調(diào)速的主要目的和要達(dá)到的要求，分別實(shí)現(xiàn)了主抽風(fēng)機(jī)電勵磁同步電機(jī)的VF控制和無速度傳感器矢量控制，并提出一種和基于功率因數(shù)閉環(huán)的轉(zhuǎn)子勵磁電流控制方法和基于同步機(jī)反電動勢的轉(zhuǎn)速追蹤方法，實(shí)現(xiàn)了同步電機(jī)矢量控制下的帶速重投。分析了VF控制存在的問題以及矢量控制的優(yōu)勢。對鋼鐵廠主抽風(fēng)機(jī)電勵磁同步電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域有很高的參考和借鑒價(jià)值。