淺析管道壓縮機(jī)同步電機(jī)變頻器啟動(dòng)控制方案的改進(jìn)

趙選鋒 江 兵 楊 亮

1. ABB電網(wǎng)投資(中國)有限公司, 北京 100015;2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

離心壓縮機(jī)是天然氣增壓輸送和天然氣液化系統(tǒng)的重要設(shè)備,大型電驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的技術(shù)方案在輸氣管道中廣泛運(yùn)用,變頻器與同步電機(jī)構(gòu)成的電驅(qū)系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬的優(yōu)勢(shì),且國產(chǎn)化后大大降低了總體設(shè)備費(fèi)用,實(shí)際運(yùn)行中通過壓縮機(jī)電驅(qū)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)與輸氣管道/液化工廠的變工況運(yùn)行/調(diào)峰需求完美契合,可以節(jié)約運(yùn)行成本,提高項(xiàng)目整體效益。

目前，國內(nèi)輸氣管道電驅(qū)壓氣站主要以16 MW以上功率等級(jí)的電驅(qū)系統(tǒng)為主,輸氣作業(yè)的多變工況要求控制壓縮機(jī)運(yùn)行的流量和壓力。由于壓縮機(jī)處于易燃易爆廠房環(huán)境,為避免勵(lì)磁碳刷摩擦產(chǎn)生火花,通常采用正壓通風(fēng)型無刷勵(lì)磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng),變頻器采用無編碼器(即位置傳感器)方式控制電機(jī),無需周期性調(diào)節(jié)編碼器的安裝精度,去除同步電機(jī)編碼器的維護(hù)工作[1-2]。壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí),同步電機(jī)轉(zhuǎn)速為零,變頻器需要注入電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電流,通過算法獲得轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確位置,從該位置以同步方式啟動(dòng)電機(jī)。不同控制方案存在控制策略及算法上的差別，在計(jì)算轉(zhuǎn)子位置過程中會(huì)施加轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致同步電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)一定角度,而某些壓縮機(jī)密封系統(tǒng)(如單向干氣密封)是禁止反轉(zhuǎn)的,因此需要采用一種合理的控制方案解決反轉(zhuǎn)問題。瑞士ABB有限公司研發(fā)的低頻脈沖注入[3]控制方案成功解決了這一問題。

1 管道壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

常用的離心壓縮機(jī)組由壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成。以某輸氣管道的壓縮機(jī)組為例，整流變壓器、功率單元、無刷勵(lì)磁系統(tǒng)、同步電機(jī)、控制系統(tǒng)構(gòu)成了16 MW電驅(qū)系統(tǒng)部分[4],見圖1。壓縮機(jī)部分包括主機(jī)和底座,以及聯(lián)軸器、齒輪箱、干氣密封系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)。正常工況下,壓縮機(jī)在65%～105%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行,同步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min,通過齒輪箱增速至壓縮機(jī)額定轉(zhuǎn)速11 420 r/min。干氣密封系統(tǒng)主要用于離心壓縮機(jī)[5]、螺桿壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等設(shè)備的軸封,是避免易燃?xì)怏w沿壓縮機(jī)級(jí)間或軸端泄漏而采取的有效措施[6]。

圖1 壓縮機(jī)組電驅(qū)系統(tǒng)圖Fig.1 Compressor set power drive system configuration

干氣密封系統(tǒng)端面采用螺旋槽式設(shè)計(jì),動(dòng)環(huán)面上加工有一系列的螺旋形流體動(dòng)壓槽并經(jīng)過特殊拋光處理,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣體隨環(huán)旋轉(zhuǎn)由外徑朝向中心,徑向分量朝著密封堰流動(dòng),達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后產(chǎn)生足夠的推力將動(dòng)密封面和靜密封面推開,流動(dòng)的氣體在密封面間形成氣膜[7],氣膜阻塞天然氣泄漏通道實(shí)現(xiàn)無接觸軸封，見圖2。壓縮機(jī)的啟動(dòng)/停止對(duì)干氣密封系統(tǒng)的可靠性和壽命影響最大,尤其是對(duì)單向干氣密封系統(tǒng)的壓縮機(jī),長(zhǎng)期多次啟動(dòng)反轉(zhuǎn)將會(huì)損壞干氣密封系統(tǒng)[8],本案例的電機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)180°,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子將反轉(zhuǎn)超過1 080°,反向轉(zhuǎn)動(dòng)不利于氣膜形成,并有可能損傷密封端面。因此,抑制同步電機(jī)反轉(zhuǎn)是壓縮機(jī)安全啟動(dòng)、保護(hù)干氣密封系統(tǒng)的必要措施。

圖2 干氣密封系統(tǒng)示意圖Fig.2 Dry gas seal profile diagram

2 變頻器啟動(dòng)控制方案

無刷勵(lì)磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制方式對(duì)管道壓縮機(jī)而言,在安裝、維護(hù)、抗干擾能力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[9]。同步電機(jī)啟動(dòng)的關(guān)鍵是計(jì)算出轉(zhuǎn)子具體的空間位置,并準(zhǔn)確識(shí)別轉(zhuǎn)子正負(fù)極性[10]。通過不同的算法獲得轉(zhuǎn)子初始位置是變頻器控制技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

2.1 強(qiáng)制啟動(dòng)

強(qiáng)制啟動(dòng)是一種經(jīng)典且簡(jiǎn)單可靠的啟動(dòng)方案,適用于有刷勵(lì)磁、無刷勵(lì)磁和永磁同步電機(jī)。強(qiáng)制啟動(dòng)方案需事先設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)子定位時(shí)的最大限制電流和電流斜坡上升時(shí)間,啟動(dòng)同步電機(jī)時(shí),變頻器先執(zhí)行無位置傳感器定位算法,將轉(zhuǎn)子電磁角度0°和機(jī)械角度0°對(duì)齊。此位置的電氣特征是:電機(jī)定子A相繞組和C相繞組電流大小相等、方向相反,B相繞組電流降為零。然后從此位置啟動(dòng)電機(jī),定位時(shí)間取決于最大電流和斜坡時(shí)間的設(shè)定值,通常為18～40 s,由于啟動(dòng)前轉(zhuǎn)子在360°空間的位置是任意的,變頻器控制算法選擇電磁角度0°與機(jī)械角度0°對(duì)齊的最短路徑,不考慮電機(jī)正反轉(zhuǎn)。因此,理論上轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)各有50%的概率。

2.2 勵(lì)磁啟動(dòng)

勵(lì)磁啟動(dòng)控制方案的原理是在同步電機(jī)勵(lì)磁機(jī)繞組注入快速上升的勵(lì)磁電流并建立磁場(chǎng),電機(jī)定子繞組處于此磁場(chǎng)中因而產(chǎn)生感應(yīng)電流,根據(jù)楞次定律,電流變化率越快,電機(jī)定子繞組中感應(yīng)電流越明顯,當(dāng)測(cè)量到電流值超過設(shè)定值時(shí)判定轉(zhuǎn)子位置探測(cè)成功[11]?；跍y(cè)量到的定子電流矢量關(guān)系計(jì)算出轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置和極性,然后從探測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置直接啟動(dòng)電機(jī),啟動(dòng)時(shí)間約5～15 s。勵(lì)磁電流變化率受到電感負(fù)載的制約,有刷勵(lì)磁同步電機(jī)的直流電流可以快速注入轉(zhuǎn)子繞組,因此響應(yīng)速度一般能滿足要求,而無刷勵(lì)磁同步電機(jī)勵(lì)磁機(jī)輸出的交流電流，通過電感特性的旋轉(zhuǎn)變壓器整流回路，轉(zhuǎn)換為直流勵(lì)磁電流供給轉(zhuǎn)子繞阻，該電流變化率很小，很難在定子繞組感應(yīng)出滿足探測(cè)需要的電流值。因此,該方法適用于多數(shù)有刷勵(lì)磁同步電機(jī)和極少部分無刷勵(lì)磁同步電機(jī)。

2.3 極性探測(cè)啟動(dòng)

極性探測(cè)啟動(dòng)方案的控制原理是在電機(jī)的轉(zhuǎn)子注入較大的勵(lì)磁電流使電機(jī)磁通飽和,定子繞組注入1～1.5倍額定電流,在轉(zhuǎn)子特定的幾個(gè)電磁角度位置(通常以A相繞組為基準(zhǔn))分別測(cè)量電流矢量,建立矢量模型計(jì)算出轉(zhuǎn)子的大致位置[2],該計(jì)算值存在誤差需進(jìn)行修正。因此，在該位置附近向電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組分別注入正、負(fù)向的電流矢量,檢測(cè)兩種情況下定子對(duì)應(yīng)的飽和程度,飽和度深為正極性,飽和度淺為負(fù)極性,同時(shí)計(jì)算出轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置,從該位置以同步轉(zhuǎn)速啟動(dòng)電機(jī)即可[12]。

極性探測(cè)啟動(dòng)要求同步電機(jī)的交軸、直軸超瞬變電抗百分比有明顯差異,本案例壓縮機(jī)組同步電機(jī)交軸、直軸的超瞬變電抗百分比分別為16.9%和26.4%,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行300余次啟動(dòng)測(cè)試結(jié)論是:如果極性探測(cè)成功,探測(cè)過程時(shí)間約3～8 s;極性探測(cè)失敗時(shí),就會(huì)出現(xiàn)定子過電流、勵(lì)磁過電流、極性探測(cè)失敗等故障報(bào)警,啟動(dòng)成功率80%左右。所以該方法通常用于啟動(dòng)可靠性要求不高的場(chǎng)合,在管道壓縮機(jī)的電驅(qū)系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

2.4 低頻脈沖注入

圖3 定子電流的γ函數(shù)曲線圖Fig.3 γ function curve of stator current

計(jì)算轉(zhuǎn)子位置時(shí)引入的重要參數(shù)轉(zhuǎn)子阻抗是標(biāo)量,無法判斷轉(zhuǎn)子的極性,存在180°偏差的可能,因此需要進(jìn)行極性判斷,才能得到轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確信息。注入定子的低頻電壓脈沖同時(shí)也會(huì)對(duì)勵(lì)磁電流產(chǎn)生影響,測(cè)量轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)位置的勵(lì)磁電流,折算成標(biāo)幺值,解析后的基波分量為轉(zhuǎn)子電流指示，見圖4。圖4中γ角定義為轉(zhuǎn)子電流指示的函數(shù),由不同的采樣點(diǎn)繪成曲線[15],以脈沖注入的角差(Δγ)為橫軸，縱軸為勵(lì)磁電流變量標(biāo)幺值(ΔIf/IfN)，周期為360°，最高點(diǎn)為轉(zhuǎn)子正極性，最低點(diǎn)為轉(zhuǎn)子負(fù)極性。由定子電流和轉(zhuǎn)子電流指示函數(shù)曲線合并的實(shí)測(cè)曲線得到轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確位置。

圖4 轉(zhuǎn)子電流的γ函數(shù)曲線圖Fig.4 γ function curve of rotor current

3 低頻脈沖注入的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

變頻器啟動(dòng)同步電機(jī)時(shí),低頻脈沖注入的控制方案是通過啟動(dòng)算法確定轉(zhuǎn)子電磁角度0°初始位置,然后在此位置直接同步啟動(dòng)[16]。因此,確定轉(zhuǎn)子初始位置是同步電機(jī)正常啟動(dòng)的前提,直接影響啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和控制品質(zhì)[17-18]。

3.1 確定注入方案

確定注入電壓脈沖參數(shù)(頻率和幅值)的最佳組合,才能得到標(biāo)準(zhǔn)的定子電流和轉(zhuǎn)子電流指示函數(shù)曲線,該過程稱為識(shí)別運(yùn)行。識(shí)別運(yùn)行主要是通過注入不同頻率和幅值組合的電壓脈沖,記錄對(duì)應(yīng)的定子和轉(zhuǎn)子函數(shù)曲線,接近正弦或余弦的曲線表明與電機(jī)特性匹配較好,見圖5;匹配性越差,曲線則無明顯正余弦規(guī)律性,見圖6。執(zhí)行識(shí)別運(yùn)行時(shí),電機(jī)不會(huì)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),只會(huì)在靜止位置小幅搖擺。

圖5 10 Hz/0.6%額定電壓識(shí)別運(yùn)行指示圖Fig.5 10 Hz/0.6% Ue ID run curve

圖6 5 Hz/0.2%額定電壓識(shí)別運(yùn)行指示圖Fig.6 5 Hz/0.2% Ue ID run curve

對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確識(shí)別轉(zhuǎn)子位置和極性的必要條件是定子電流、轉(zhuǎn)子電流指示函數(shù)曲線近似正弦或余弦曲線。通過識(shí)別運(yùn)行確定注入電壓脈沖參數(shù)(頻率和幅值)的最佳組合,如本案例最佳組合為 10 Hz/0.6% 額定電壓,經(jīng)過啟動(dòng)驗(yàn)證后固化參數(shù),電機(jī)啟動(dòng)時(shí)變頻器自動(dòng)注入該頻率和幅值的電壓脈沖,無需重復(fù)執(zhí)行識(shí)別運(yùn)行。對(duì)于不同特性的電機(jī),電壓脈沖參數(shù)(頻率和幅值)的最佳組合是有差別的,調(diào)試時(shí)必須通過識(shí)別運(yùn)行確定最佳組合,再固化參數(shù)。

3.2 啟動(dòng)同步電機(jī)

電機(jī)啟動(dòng)過程中注入電壓脈沖時(shí)參數(shù)變化見圖7,變頻器通過控制勵(lì)磁機(jī)向同步電機(jī)轉(zhuǎn)子注入勵(lì)磁電流,建立磁場(chǎng),電壓脈沖從0°(定子A相繞組為0°基準(zhǔn),逆時(shí)針方向?yàn)檎嵌?、30°、60°、90°、120°和150°等6個(gè)角度方向依次注入電機(jī)定子繞組,階段1～7的6個(gè)角度稱為γ角,覆蓋了1個(gè)180°的循環(huán)周期,通過6個(gè)角度的定子電流實(shí)測(cè)值解析成定子電流指示,由此計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置，增加階段7則是驗(yàn)證轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確性，見圖8。與此同時(shí),注入的低頻電壓脈沖影響轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流,根據(jù)6個(gè)角度勵(lì)磁電流的實(shí)測(cè)值,解析成轉(zhuǎn)子電流指示,由此得出轉(zhuǎn)子的正負(fù)極性。如果是正極性,則計(jì)算出的γ角就是轉(zhuǎn)子位置角,否則需要在γ角基礎(chǔ)上偏移180°(正負(fù)極性相差180°)。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和極性確定后,電機(jī)磁通量升至100%,具備啟動(dòng)電機(jī)的條件,變頻器以預(yù)先設(shè)定的加速時(shí)間控制同步電機(jī)加速至給定速度，啟動(dòng)完成。

圖7 低頻脈沖注入啟動(dòng)的參數(shù)變化時(shí)序圖Fig.7 Parameters’ changing sequence when started by LF PLUSE

圖8 低頻脈沖注入啟動(dòng)γ角變化時(shí)序圖Fig.8 γ angle changing sequence when started by LF PLUSE

3.3 抑制反轉(zhuǎn)

變頻器低頻脈沖注入控制方案研發(fā)后缺少與電機(jī)聯(lián)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,本案例壓縮機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中,采用低頻脈沖注入控制方案啟動(dòng)電機(jī)時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子有明顯的反轉(zhuǎn)(最大反轉(zhuǎn)角度達(dá)到60°),必須回到初始位置開始升速,經(jīng)過多次測(cè)試反轉(zhuǎn)概率仍然有10%,現(xiàn)場(chǎng)記錄的反轉(zhuǎn)和無反轉(zhuǎn)典型速度響應(yīng)見圖9～10。

圖9 電機(jī)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)速度響應(yīng)圖Fig.9 Speed response of motor with rotation inversion during starting

圖10 電機(jī)啟動(dòng)無反轉(zhuǎn)時(shí)速度響應(yīng)圖Fig.10 Speed response of motor without rotation inversion during starting

通過分析圖9數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)原因是轉(zhuǎn)子位置計(jì)算不夠準(zhǔn)確,勵(lì)磁機(jī)晶閘管工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流干擾,造成計(jì)算位置和實(shí)際位置的誤差超過了變頻器的允許值,待電機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度后，變頻器的直接轉(zhuǎn)矩控制算法利用實(shí)測(cè)定子電流和轉(zhuǎn)子電流在初始轉(zhuǎn)子位置估計(jì)坐標(biāo)系中建立與位置角相關(guān)的誤差函數(shù)[19]識(shí)別出電機(jī)反轉(zhuǎn)。為此改進(jìn)了軟件控制算法,設(shè)計(jì)了一種基于離散位置信號(hào)諧波分析的觀測(cè)器[20],用于分離電壓脈沖注入過程中產(chǎn)生的諧波電流，并增加了圖11的探測(cè)到轉(zhuǎn)子位置后反復(fù)驗(yàn)證的階段8、9、10，以階段1～7的轉(zhuǎn)子位置和極性為基本參數(shù)，在轉(zhuǎn)子位置的負(fù)極增加一次逆向驗(yàn)證,電壓脈沖注入幅值與階段7相同,以確保階段9獲得的轉(zhuǎn)子位置、極性與階段7相同,在此轉(zhuǎn)子位置上沿電機(jī)反轉(zhuǎn)方向偏移10°,從而消除探測(cè)誤差的影響。增加修正后,以階段10偏移10°后的電角度作為最終轉(zhuǎn)子位置啟動(dòng)電機(jī)。隨后經(jīng)過400余次啟動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn),沒有出現(xiàn)反轉(zhuǎn),壓縮機(jī)組進(jìn)入試運(yùn)行階段。

圖11 低頻脈沖注入修正啟動(dòng)參數(shù)變化時(shí)序圖Fig.11 Enhanced inject parameter’s changing sequence when started by LF PLUSE

4 結(jié)論

低頻脈沖注入是瑞士ABB有限公司2016年研發(fā)的變頻器控制方案,適用于所有無刷勵(lì)磁和有刷勵(lì)磁同步電機(jī)的無位置傳感器啟動(dòng)。在某輸氣管道工程壓縮機(jī)組調(diào)試過程中修正控制策略,有效解決了轉(zhuǎn)子定位時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)的問題,同時(shí)積累了大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù),并推廣運(yùn)用到類似管道壓縮機(jī)組,大大減少了調(diào)試時(shí)間,也驗(yàn)證了控制方案的可靠性及可用性,是一種理想的無刷勵(lì)磁無位置傳感器同步電機(jī)啟動(dòng)方案。低頻脈沖注入在輸氣管道電驅(qū)壓氣站的成功運(yùn)用,徹底解決了啟動(dòng)過程同步電機(jī)反轉(zhuǎn)引起的壓縮機(jī)干氣密封性能損壞和使用壽命降低問題,是目前電驅(qū)系統(tǒng)的最佳控制方案。