離散變頻技術在石油天然氣站異步電機中的應用

丁 勇

（中國石油天然氣管道工程有限公司，沈陽110000）

在石油天然氣站的應用中，如果對異步電機施加額定電壓使電機起動，會加大異步電機承受的電流沖擊，減少異步電機的使用壽命，還會影響石油天然氣站其他設備的正常工作[1-2]。如果將降壓起動裝置應用到石油天然氣站異步電機中，雖然可以抑制異步電機的起動電流，但是電機的電壓下降會使異步電機的起動轉矩也隨著下降，無法實現異步電機的重載起動[3]。如果將變頻器應用到石油天然氣站異步電機中，即使可以滿足異步電機的性能要求，但是由于變頻器的價格昂貴，會造成石油天然氣站的投入成本變大，直接影響石油天然氣站的經濟效益，同時，上述2 種技術沒有有效改善異步電機轉速易受電磁干擾限制的問題[4]。

基于以上背景，本文將離散變頻技術應用到石油天然氣站異步電機中。離散變頻技術是現代電子通信、雷達等系統應用的關鍵技術，離散變頻作為微波光子學在變頻信號的處理方面具有重要作用，可以有效解決石油天然氣站異步電機存在的瓶頸。離散變頻技術一般采用雙繞組變頻裝置，克服了異步電機轉速的限制，同時具有較高的傳輸容量以及抗電磁干擾等優勢。有效提高了石油天然氣站異步電機的轉速，實現異步電機的重載起動。

1 石油天然氣站異步電機的離散變頻技術設計

1.1 分析異步電機的離散變頻相序

為了提高石油天然氣站異步電機的轉速，在分析石油天然氣站異步電機的離散變頻相序之前，先選取異步電機的最低頻段，選擇的離散頻率越低，異步電機包含的工頻半周數目就會越多，不僅增加了異步電機控制程序的復雜程度，還延長了異步電機的起動時長[5]。因此在選擇異步電機的最低頻率時，主要考慮異步電機在低頻段下是否具有足夠大起動轉矩和足夠小的起動電流，石油天然氣站異步電機在滿足轉矩和電流2 個條件的情況下，則可以進行離散變頻相序的分析。

異步電機的離散變頻原理即有選擇性地控制異步電機工頻電源半波的通斷，從而實現離散變頻相序的分析[6]。圖1 為石油天然氣站異步電機四分頻觸發方式。

圖1 石油天然氣站異步電機四分頻觸發方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of the four-frequency trigger method of asynchronous motors in oil and gas stations

由圖1 可知，石油天然氣站異步電機每一個工頻周期都是由2 個半波組成的，經過離散變頻后，異步電機零相位點的位置點數為

式中：r 表示異步電機的分頻數。離散變頻結束后，異步電機基波信號的零點就是原信號的零點，根據式（1）可以確定異步電機每一個分頻所對應的的基波數[7]。異步電機經過離散變頻后，異步電機原始半周波的相位角只有如果異步電機二分頻為90°，那么可以得到異步電機變頻波形互差相等的角度為

設異步電機原工頻信號的最初相位角為0°，那么異步電機在離散變頻下波形的初相位φr為

式中：k 表示工頻信號相位幅值。假設異步電機原工頻電源的角速度為ω，那么經過離散變頻后，異步電機的基波角速度為ωr，對異步電機進行離散變頻后，三相對稱電壓可以表示為

式中：U 表示三相電壓諧波；t 表示相位角個數。異步電機經過離散變頻后，b 相零點對應原工頻B 相在時間領域內的某一個點，那么B 相經過零點時，應該滿足：

由此可見，如果異步電機的分頻數目等于4、7、10、13 時，經過離散變頻后，可以得到對稱的供電電源[8]。同理，可以推斷出異步電機供電電源的分頻數為

利用石油天然氣站異步電機的四分頻觸發方式，得到異步電機變頻波形互差相等的角度，對異步電機進行離散變頻處理后，推斷出異步電機供電電源的分頻數，完成了石油天然氣站異步電機的離散變頻相序分析[9]；接下來通過計算石油天然氣站異步電機的起動轉矩，來實現石油天然氣站異步電機的離散變頻。

1.2 計算石油天然氣站異步電機的起動轉矩

將降壓起動裝置和變頻器運用到石油天然氣站異步電機中，受到限流恒壓驅動和起動電壓的影響，起動限流加大會使電機發熱，從而降低了電機的運行速度。因此本文通過石油天然氣站異步電機在正序電壓和負序電壓下的等效電路，來求得異步電機的起動轉矩，從而提高石油天然氣站異步電機的轉速[10]。當正序電壓和負序電壓作用到石油天然氣站的異步電機上時，異步電機的等效電路如圖2所示。

圖2 石油天然氣站異步電機的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of asynchronous motor in oil and gas station

在等效電路圖中，R1、X1σ分別表示異步電機定子的電阻和電抗，R2′、X2σ′分別表示異步電機轉子的電阻和電抗，Rm、Xm分別表示勵磁電阻和電抗，s 表示離散變頻的轉差率。運用設計的電路能夠使電機電流特性曲線變得更加陡直，使電流峰值很快達到飽和狀態，得到穩態的電流值，增加電機繞組的有效電流，使電機的無功損耗降低，從而有效抑制電磁干擾的影響，達到提高運行速度的目的。

石油天然氣站異步電機在離散變頻起動過程中，離散變頻電壓相序中不存在對稱正序的分頻段[11]，因此必須將異步電機中的基波電壓分解成相應的正、負序分量。計算石油天然氣站異步電機的起動轉矩時，需要綜合考慮正、負序分量產生的轉矩[12]。

當電壓的正序分量作用于異步電機時，異步電機產生的正序阻抗總值Z+為

式中：j 表示電導率。根據歐姆定律可以計算出異步電機定子電流和轉子電流分別為

式中：U1+表示導體兩端的電壓。

由于異步電機勵磁電流相對于定子和轉子的電流比較小，通常情況下可以忽略不計[13]，根據異步電機轉矩計算公式，可以計算出異步電機正序電壓產生的正電磁轉矩為

式中：np表示石油天然氣站異步電機的極對數；f 表示異步電機供電電源的工作頻率。

當電壓的負序分量作用于異步電機時，異步電機產生的負序阻抗總值Z-為

根據歐姆定律，得到異步電機定子電流和轉子電流分別為

利用異步電機轉矩計算公式，計算得到異步電機負序電壓產生的負電磁轉矩為

在沒有對稱正序組合的離散變頻技術下，異步電機產生的總轉矩為

石油天然氣站的異步電機在起動時，將轉差率s＝1 代入到式（11）和式（15）中[14-15]，可以計算得到異步電機的起動轉矩為

綜上所述，基于石油天然氣站異步電機的等效電路分析，分別考慮正、負序分量產生的轉矩，計算了異步電機產生的正、負序阻抗總值，結合歐姆定律計算了異步電機定子電流和轉子電流，最后通過異步電機正、負序電壓產生的正、負電磁轉矩，完成石油天然氣站異步電機的起動轉矩計算，實現了石油天然氣站異步電機的離散變頻。

圖3 仿真實驗模型Fig.3 Simulation experiment model

2 仿真實驗分析

為了對比分析降壓起動裝置在異步電機中的應用效果、變頻器在異步電機中的應用效果和本文設計離散變頻技術在石油天然氣站異步電機中的應用效果，設置不同的電磁干擾條件，進行仿真實驗分析。

2.1 構建仿真模型

為了有效對比不同方法下石油天然氣站異步電機的離散變頻性能，搭建了仿真模型，如圖3 所示。

2.2 仿真實驗流程

實驗測試的完整性是實現石油天然氣站異步電機穩定工作的前提，實驗具體實施流程如下：

步驟1：仿真程序初始化

仿真程序初始化包括異步電機離散變頻各個模塊的初始化，程序初始化流程如圖4 所示。

步驟2：檢測仿真程序

在起動異步電機之前，對仿真程序可能存在的各種故障進行檢測，如果仿真程序存在故障，立即處理故障，如果沒有故障則等待異步電機起動指令。

步驟3：選擇異步電機的起動方式

仿真程序接收到電機起動指令后，選擇合適的起動方式，仿真程序所提供的電機起動方式有離散變頻軟起動方式、電流限制起動方式等。

步驟4：判斷異步電機的運行狀態

圖4 初始化流程Fig.4 Initialization flow chart

異步電機起動完成后，分別將降壓起動技術、變頻器技術和提出的離散變頻技術載入到仿真程序中，給異步電機施加相同的頻率。

步驟5：記錄實驗結果

當給異步電機施加頻率的同時，記錄正常狀態下（無電磁干擾）異步電機的轉速，根據異步電機轉速與頻率的關系，繪制石油天然氣站異步電機轉速對比曲線。

當給異步電機施加頻率的同時，分別記錄電磁干擾強度較大時和干擾強度較小時的異步電機轉速，繪制石油天然氣站異步電機轉速對比曲線。

2.3 實驗結果分析

利用上述的仿真模型和流程，得到了石油天然氣站異步電機轉速對比曲線，如圖5 所示。

圖5 石油天然氣站異步電機轉速對比曲線Fig.5 Comparison curve of asynchronous motor speed of oil and gas station

分析圖5（a）可以看出，在無電磁干擾條件下，降壓起動技術、變頻器技術和離散變頻技術均能獲得較高的異步電機轉速，三種技術下的轉速差異不明顯。

分析圖5（b）可以看出，在電磁干擾強度低的條件下，離散變頻技術的異步電機轉速明顯高于降壓起動技術和變頻器技術，應用離散變頻技術時，在頻率為1000 Hz 時，異步電機轉速最高可達9000 r/min。

分析圖5（c）可以看出，在電磁干擾強度高的條件下，當頻率小于400 Hz 時，降壓起動技術和變頻器技術由于負載過大，使異步電機運行不穩定，導致石油天然氣站異步電機轉速較低；雖然隨著頻率的增大，異步電機轉速有所上升，但是上升趨勢不明顯。采用離散變頻技術時，石油天然氣站異步電機轉速呈現較為明顯的上升趨勢，雖然頻率在200 Hz～300 Hz 之間時，略有下降，但是整體轉速明顯高于降壓起動技術和變頻器技術。

通過上述分析可知，離散變頻技術可以有效抑制電磁干擾，加快石油天然氣站異步電機的轉速。這是由于該技術通過設計異步電機電路，加快了電流峰值達到飽和狀態的速度，抑制了無效電流和干擾電流，增加了電機繞組的有效電流，實現了對電磁干擾的抑制，從而達到了提高運行速度的目的。

3 結語

本文提出了離散變頻技術在石油天然氣站異步電機中的應用。通過異步電機離散變頻處理得到異步電機供電電源的分頻數。在此基礎上，設計并分析異步電機的等效電路，計算異步電機產生的正、負序阻抗總值，并進行正負電磁之間的轉矩，實現石油天然氣站異步電機的離散變頻。實驗結果表明，石油天然氣站異步電機的離散變頻技術能有效抑制不同程度的電磁干擾，具有較高的變頻性能。