李小泉

摘 要 壓縮機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中的重要通用機(jī)械，其是工廠的耗電大戶。要實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須要控制壓縮機(jī)的變工況，這就需要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的調(diào)節(jié)。電機(jī)拖動(dòng)的空氣壓縮機(jī)常采用節(jié)流調(diào)節(jié)（入口節(jié)流和出口節(jié)流）和變壓縮機(jī)元件調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式，對(duì)于節(jié)流調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，存在著大量的能源浪費(fèi)，而且調(diào)節(jié)性能也不太理想，特別是在空分系統(tǒng)變工況運(yùn)行時(shí)，能源浪費(fèi)更為嚴(yán)重，還有發(fā)生喘振的危險(xiǎn)。文章采用SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞 SVPWM；離心壓縮機(jī)

中圖分類號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0044-02

1 調(diào)研分析現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)某廠空分裝置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)空分離心式壓縮機(jī)存在以下問(wèn)題。

1）能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

2）調(diào)節(jié)方式落后。

3）設(shè)備陳舊、故障率高。

4）喘振發(fā)生率高。

本文的分析對(duì)象為某公司化肥廠空分裝置中的離心式壓縮機(jī)，就調(diào)研分析的情況進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能控制研究。具體內(nèi)容如下。

1）變工況調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)方式的選擇。

2）離心壓縮機(jī)性能控制器的仿真研究。

3）壓縮機(jī)中電勵(lì)磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真研究。

2 空氣壓縮機(jī)控制器的測(cè)試研究

在空分分離裝置中，空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行方式是聯(lián)合運(yùn)行的，因此在控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中就不能只考慮單個(gè)設(shè)備的特性，必須將壓縮機(jī)和其他管網(wǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。壓縮機(jī)恒壓力控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)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(tǒng)中實(shí)際壓力與給定值壓力的壓差，經(jīng)性能控制器運(yùn)算得到控制信號(hào)，輸出給內(nèi)環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制、運(yùn)算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)外界的工況變化。

圖1 壓縮機(jī)恒壓力控制系統(tǒng)框圖

某公司6#空分采用6 kV同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，按照國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，屬于大電壓電機(jī)。就目前從節(jié)能與調(diào)速效果來(lái)看變頻調(diào)速是使用最為廣泛的一種。就現(xiàn)在的情況來(lái)看，SVPWM得到了廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)點(diǎn)是：控制算法簡(jiǎn)單、數(shù)字化等。矢量控制技術(shù)是最為常用的一種，其性能可以同直流電機(jī)相媲美。矢量控制將定子電流在空間上分解成相互獨(dú)立的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，控制難度得以簡(jiǎn)化，控制效果表現(xiàn)的比較好。

2.1 壓縮機(jī)建模分析

精確的數(shù)字模型因系統(tǒng)的復(fù)雜性而很難建立，所以我們也只能將相近的模型進(jìn)行分析。依據(jù)壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性我們可以知道，開始的狀態(tài)時(shí)恒壓系統(tǒng)，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過(guò)程，二是恒壓過(guò)程。矢量控制調(diào)速系統(tǒng)和同步電機(jī)可近似等效為時(shí)間變量為常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)以上分析，將純滯后的兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)便可組成壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型，用式（1）表示。

（>） （1）

式中，K為控制器總增益；T1系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；T2為調(diào)速系統(tǒng)和電機(jī)時(shí)間常數(shù)；τ為純滯后時(shí)間。

2.2 PID控制器的設(shè)計(jì)

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(shù)。首先在Simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環(huán)節(jié)，“1/Ti”為積分時(shí)間常數(shù)，“tou”為微分時(shí)間常數(shù)。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數(shù)，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。

圖2 Simulink模型

參數(shù)整定后，分別令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，進(jìn)行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。

（a）無(wú)擾動(dòng)時(shí) （b）有擾動(dòng)時(shí)

圖3 普通PID控制響應(yīng)曲線

圖3（a）為未加入擾動(dòng)時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線，圖3（b）為在第80 s處加入單位階躍擾動(dòng)信號(hào)時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線。通過(guò)數(shù)據(jù)圖形對(duì)比可以看出，PID控制存在超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)和抗擾動(dòng)性能差等缺點(diǎn)。

未加擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠，存在較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)為32 s。加入擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的性能變的很壞，產(chǎn)生了很大的振蕩。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)約50 s才恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 矢量控制系統(tǒng)仿真

使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統(tǒng)，對(duì)所建立的同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的空載啟動(dòng)和負(fù)載突變進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 空載啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

速度在仿真前先歸為零，這樣電動(dòng)機(jī)就可以創(chuàng)建磁場(chǎng)。在時(shí)間t等于零點(diǎn)一秒的時(shí)候，加入斜坡速度信號(hào)。電機(jī)經(jīng)過(guò)10 s的加速就會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。圖4（a）為勵(lì)磁電流波形，在前零點(diǎn)一秒勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)。一旦斜坡信號(hào)增強(qiáng)，勵(lì)磁電流開始增大，電動(dòng)機(jī)逐漸加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，勵(lì)磁電流恢復(fù)到空載值。

（a）勵(lì)磁電流 （b）電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖4 空載啟動(dòng)

3.2 負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行仿真運(yùn)作之前的1.6 s，電機(jī)就開始啟動(dòng)。當(dāng)t=1.6 s的時(shí)候，這時(shí)的系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。負(fù)載轉(zhuǎn)矩就會(huì)突然增加0.2。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的猛然增加導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)速度調(diào)節(jié)器也會(huì)上調(diào)輸出，為了保證氣隙磁鏈的平衡值得加強(qiáng)勵(lì)磁電流，見(jiàn)圖5（a）。負(fù)載的突然變化導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近百分之零點(diǎn)一的降低，然后再過(guò)大約0.4 s變趨近穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化曲線見(jiàn)圖5（b）。

（a）勵(lì)磁電流 （b）電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖5 突加負(fù)載

仿真效果良好，符合系統(tǒng)設(shè)定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機(jī)控制設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

4 結(jié)論

本文分析了變工況運(yùn)行帶來(lái)的附加損失和控制性能對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，指出大型離心壓縮機(jī)要盡量工作在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，由于生產(chǎn)需要而進(jìn)行變工況調(diào)節(jié)時(shí)，需要系統(tǒng)能穩(wěn)定在要求工作點(diǎn)，這不僅是生產(chǎn)的需要，同時(shí)工作點(diǎn)的穩(wěn)定也能夠顯著地降低能耗。仿真結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的PID控制，不利于整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

參考文獻(xiàn)

[1]徐福根，萬(wàn)建余，王立.空分設(shè)備變負(fù)荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關(guān)系及計(jì)算[J].深冷技術(shù)，2006（04）：39-42.endprint

摘 要 壓縮機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中的重要通用機(jī)械，其是工廠的耗電大戶。要實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須要控制壓縮機(jī)的變工況，這就需要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的調(diào)節(jié)。電機(jī)拖動(dòng)的空氣壓縮機(jī)常采用節(jié)流調(diào)節(jié)（入口節(jié)流和出口節(jié)流）和變壓縮機(jī)元件調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式，對(duì)于節(jié)流調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，存在著大量的能源浪費(fèi)，而且調(diào)節(jié)性能也不太理想，特別是在空分系統(tǒng)變工況運(yùn)行時(shí)，能源浪費(fèi)更為嚴(yán)重，還有發(fā)生喘振的危險(xiǎn)。文章采用SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞 SVPWM；離心壓縮機(jī)

中圖分類號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0044-02

1 調(diào)研分析現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)某廠空分裝置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)空分離心式壓縮機(jī)存在以下問(wèn)題。

1）能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

2）調(diào)節(jié)方式落后。

3）設(shè)備陳舊、故障率高。

4）喘振發(fā)生率高。

本文的分析對(duì)象為某公司化肥廠空分裝置中的離心式壓縮機(jī)，就調(diào)研分析的情況進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能控制研究。具體內(nèi)容如下。

1）變工況調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)方式的選擇。

2）離心壓縮機(jī)性能控制器的仿真研究。

3）壓縮機(jī)中電勵(lì)磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真研究。

2 空氣壓縮機(jī)控制器的測(cè)試研究

在空分分離裝置中，空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行方式是聯(lián)合運(yùn)行的，因此在控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中就不能只考慮單個(gè)設(shè)備的特性，必須將壓縮機(jī)和其他管網(wǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。壓縮機(jī)恒壓力控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)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(tǒng)中實(shí)際壓力與給定值壓力的壓差，經(jīng)性能控制器運(yùn)算得到控制信號(hào)，輸出給內(nèi)環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制、運(yùn)算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)外界的工況變化。

圖1 壓縮機(jī)恒壓力控制系統(tǒng)框圖

某公司6#空分采用6 kV同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，按照國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，屬于大電壓電機(jī)。就目前從節(jié)能與調(diào)速效果來(lái)看變頻調(diào)速是使用最為廣泛的一種。就現(xiàn)在的情況來(lái)看，SVPWM得到了廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)點(diǎn)是：控制算法簡(jiǎn)單、數(shù)字化等。矢量控制技術(shù)是最為常用的一種，其性能可以同直流電機(jī)相媲美。矢量控制將定子電流在空間上分解成相互獨(dú)立的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，控制難度得以簡(jiǎn)化，控制效果表現(xiàn)的比較好。

2.1 壓縮機(jī)建模分析

精確的數(shù)字模型因系統(tǒng)的復(fù)雜性而很難建立，所以我們也只能將相近的模型進(jìn)行分析。依據(jù)壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性我們可以知道，開始的狀態(tài)時(shí)恒壓系統(tǒng)，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過(guò)程，二是恒壓過(guò)程。矢量控制調(diào)速系統(tǒng)和同步電機(jī)可近似等效為時(shí)間變量為常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)以上分析，將純滯后的兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)便可組成壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型，用式（1）表示。

（>） （1）

式中，K為控制器總增益；T1系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；T2為調(diào)速系統(tǒng)和電機(jī)時(shí)間常數(shù)；τ為純滯后時(shí)間。

2.2 PID控制器的設(shè)計(jì)

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(shù)。首先在Simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環(huán)節(jié)，“1/Ti”為積分時(shí)間常數(shù)，“tou”為微分時(shí)間常數(shù)。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數(shù)，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。

圖2 Simulink模型

參數(shù)整定后，分別令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，進(jìn)行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。

（a）無(wú)擾動(dòng)時(shí) （b）有擾動(dòng)時(shí)

圖3 普通PID控制響應(yīng)曲線

圖3（a）為未加入擾動(dòng)時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線，圖3（b）為在第80 s處加入單位階躍擾動(dòng)信號(hào)時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線。通過(guò)數(shù)據(jù)圖形對(duì)比可以看出，PID控制存在超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)和抗擾動(dòng)性能差等缺點(diǎn)。

未加擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠，存在較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)為32 s。加入擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的性能變的很壞，產(chǎn)生了很大的振蕩。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)約50 s才恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 矢量控制系統(tǒng)仿真

使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統(tǒng)，對(duì)所建立的同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的空載啟動(dòng)和負(fù)載突變進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 空載啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

速度在仿真前先歸為零，這樣電動(dòng)機(jī)就可以創(chuàng)建磁場(chǎng)。在時(shí)間t等于零點(diǎn)一秒的時(shí)候，加入斜坡速度信號(hào)。電機(jī)經(jīng)過(guò)10 s的加速就會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。圖4（a）為勵(lì)磁電流波形，在前零點(diǎn)一秒勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)。一旦斜坡信號(hào)增強(qiáng)，勵(lì)磁電流開始增大，電動(dòng)機(jī)逐漸加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，勵(lì)磁電流恢復(fù)到空載值。

（a）勵(lì)磁電流 （b）電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖4 空載啟動(dòng)

3.2 負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行仿真運(yùn)作之前的1.6 s，電機(jī)就開始啟動(dòng)。當(dāng)t=1.6 s的時(shí)候，這時(shí)的系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。負(fù)載轉(zhuǎn)矩就會(huì)突然增加0.2。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的猛然增加導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)速度調(diào)節(jié)器也會(huì)上調(diào)輸出，為了保證氣隙磁鏈的平衡值得加強(qiáng)勵(lì)磁電流，見(jiàn)圖5（a）。負(fù)載的突然變化導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近百分之零點(diǎn)一的降低，然后再過(guò)大約0.4 s變趨近穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化曲線見(jiàn)圖5（b）。

（a）勵(lì)磁電流 （b）電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖5 突加負(fù)載

仿真效果良好，符合系統(tǒng)設(shè)定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機(jī)控制設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

4 結(jié)論

本文分析了變工況運(yùn)行帶來(lái)的附加損失和控制性能對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，指出大型離心壓縮機(jī)要盡量工作在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，由于生產(chǎn)需要而進(jìn)行變工況調(diào)節(jié)時(shí)，需要系統(tǒng)能穩(wěn)定在要求工作點(diǎn)，這不僅是生產(chǎn)的需要，同時(shí)工作點(diǎn)的穩(wěn)定也能夠顯著地降低能耗。仿真結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的PID控制，不利于整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

參考文獻(xiàn)

[1]徐福根，萬(wàn)建余，王立.空分設(shè)備變負(fù)荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關(guān)系及計(jì)算[J].深冷技術(shù)，2006（04）：39-42.endprint

摘 要 壓縮機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中的重要通用機(jī)械，其是工廠的耗電大戶。要實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須要控制壓縮機(jī)的變工況，這就需要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的調(diào)節(jié)。電機(jī)拖動(dòng)的空氣壓縮機(jī)常采用節(jié)流調(diào)節(jié)（入口節(jié)流和出口節(jié)流）和變壓縮機(jī)元件調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式，對(duì)于節(jié)流調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，存在著大量的能源浪費(fèi)，而且調(diào)節(jié)性能也不太理想，特別是在空分系統(tǒng)變工況運(yùn)行時(shí)，能源浪費(fèi)更為嚴(yán)重，還有發(fā)生喘振的危險(xiǎn)。文章采用SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞 SVPWM；離心壓縮機(jī)

中圖分類號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0044-02

1 調(diào)研分析現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)某廠空分裝置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)空分離心式壓縮機(jī)存在以下問(wèn)題。

1）能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

2）調(diào)節(jié)方式落后。

3）設(shè)備陳舊、故障率高。

4）喘振發(fā)生率高。

本文的分析對(duì)象為某公司化肥廠空分裝置中的離心式壓縮機(jī)，就調(diào)研分析的情況進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能控制研究。具體內(nèi)容如下。

1）變工況調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)方式的選擇。

2）離心壓縮機(jī)性能控制器的仿真研究。

3）壓縮機(jī)中電勵(lì)磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真研究。

2 空氣壓縮機(jī)控制器的測(cè)試研究

在空分分離裝置中，空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行方式是聯(lián)合運(yùn)行的，因此在控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中就不能只考慮單個(gè)設(shè)備的特性，必須將壓縮機(jī)和其他管網(wǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。壓縮機(jī)恒壓力控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)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(tǒng)中實(shí)際壓力與給定值壓力的壓差，經(jīng)性能控制器運(yùn)算得到控制信號(hào)，輸出給內(nèi)環(huán)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制、運(yùn)算得到逆變器的輸出頻率，從而控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)外界的工況變化。

圖1 壓縮機(jī)恒壓力控制系統(tǒng)框圖

某公司6#空分采用6 kV同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，按照國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，屬于大電壓電機(jī)。就目前從節(jié)能與調(diào)速效果來(lái)看變頻調(diào)速是使用最為廣泛的一種。就現(xiàn)在的情況來(lái)看，SVPWM得到了廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)點(diǎn)是：控制算法簡(jiǎn)單、數(shù)字化等。矢量控制技術(shù)是最為常用的一種，其性能可以同直流電機(jī)相媲美。矢量控制將定子電流在空間上分解成相互獨(dú)立的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，控制難度得以簡(jiǎn)化，控制效果表現(xiàn)的比較好。

2.1 壓縮機(jī)建模分析

精確的數(shù)字模型因系統(tǒng)的復(fù)雜性而很難建立，所以我們也只能將相近的模型進(jìn)行分析。依據(jù)壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行特性我們可以知道，開始的狀態(tài)時(shí)恒壓系統(tǒng)，主要是由兩部分組成：一是壓力上升過(guò)程，二是恒壓過(guò)程。矢量控制調(diào)速系統(tǒng)和同步電機(jī)可近似等效為時(shí)間變量為常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)以上分析，將純滯后的兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)便可組成壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型，用式（1）表示。

（>） （1）

式中，K為控制器總增益；T1系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；T2為調(diào)速系統(tǒng)和電機(jī)時(shí)間常數(shù)；τ為純滯后時(shí)間。

2.2 PID控制器的設(shè)計(jì)

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(shù)。首先在Simulink環(huán)境中建立系統(tǒng)的Simulink模型，如圖2所示，“Kp”為比例環(huán)節(jié)，“1/Ti”為積分時(shí)間常數(shù)，“tou”為微分時(shí)間常數(shù)。利用Ziegler-Nichols法整定控制器參數(shù)，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。

圖2 Simulink模型

參數(shù)整定后，分別令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，進(jìn)行MATLAB仿真，仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示。

（a）無(wú)擾動(dòng)時(shí) （b）有擾動(dòng)時(shí)

圖3 普通PID控制響應(yīng)曲線

圖3（a）為未加入擾動(dòng)時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線，圖3（b）為在第80 s處加入單位階躍擾動(dòng)信號(hào)時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線。通過(guò)數(shù)據(jù)圖形對(duì)比可以看出，PID控制存在超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)和抗擾動(dòng)性能差等缺點(diǎn)。

未加擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定度不夠，存在較大超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)為32 s。加入擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的性能變的很壞，產(chǎn)生了很大的振蕩。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)約50 s才恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 矢量控制系統(tǒng)仿真

使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系統(tǒng)，對(duì)所建立的同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的空載啟動(dòng)和負(fù)載突變進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 空載啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

速度在仿真前先歸為零，這樣電動(dòng)機(jī)就可以創(chuàng)建磁場(chǎng)。在時(shí)間t等于零點(diǎn)一秒的時(shí)候，加入斜坡速度信號(hào)。電機(jī)經(jīng)過(guò)10 s的加速就會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。圖4（a）為勵(lì)磁電流波形，在前零點(diǎn)一秒勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)。一旦斜坡信號(hào)增強(qiáng)，勵(lì)磁電流開始增大，電動(dòng)機(jī)逐漸加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，勵(lì)磁電流恢復(fù)到空載值。

（a）勵(lì)磁電流 （b）電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖4 空載啟動(dòng)

3.2 負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行仿真運(yùn)作之前的1.6 s，電機(jī)就開始啟動(dòng)。當(dāng)t=1.6 s的時(shí)候，這時(shí)的系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。負(fù)載轉(zhuǎn)矩就會(huì)突然增加0.2。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的猛然增加導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)速度調(diào)節(jié)器也會(huì)上調(diào)輸出，為了保證氣隙磁鏈的平衡值得加強(qiáng)勵(lì)磁電流，見(jiàn)圖5（a）。負(fù)載的突然變化導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近百分之零點(diǎn)一的降低，然后再過(guò)大約0.4 s變趨近穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化曲線見(jiàn)圖5（b）。

（a）勵(lì)磁電流 （b）電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖5 突加負(fù)載

仿真效果良好，符合系統(tǒng)設(shè)定調(diào)速要求，可以為其他系統(tǒng)的電機(jī)控制設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

4 結(jié)論

本文分析了變工況運(yùn)行帶來(lái)的附加損失和控制性能對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，指出大型離心壓縮機(jī)要盡量工作在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，由于生產(chǎn)需要而進(jìn)行變工況調(diào)節(jié)時(shí)，需要系統(tǒng)能穩(wěn)定在要求工作點(diǎn)，這不僅是生產(chǎn)的需要，同時(shí)工作點(diǎn)的穩(wěn)定也能夠顯著地降低能耗。仿真結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的PID控制，不利于整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

參考文獻(xiàn)

[1]徐福根，萬(wàn)建余，王立.空分設(shè)備變負(fù)荷調(diào)節(jié)主要參數(shù)的關(guān)系及計(jì)算[J].深冷技術(shù)，2006（04）：39-42.endprint