丁 勇

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，沈陽(yáng)110000）

在石油天然氣站的應(yīng)用中，如果對(duì)異步電機(jī)施加額定電壓使電機(jī)起動(dòng)，會(huì)加大異步電機(jī)承受的電流沖擊，減少異步電機(jī)的使用壽命，還會(huì)影響石油天然氣站其他設(shè)備的正常工作[1-2]。如果將降壓起動(dòng)裝置應(yīng)用到石油天然氣站異步電機(jī)中，雖然可以抑制異步電機(jī)的起動(dòng)電流，但是電機(jī)的電壓下降會(huì)使異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨著下降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的重載起動(dòng)[3]。如果將變頻器應(yīng)用到石油天然氣站異步電機(jī)中，即使可以滿足異步電機(jī)的性能要求，但是由于變頻器的價(jià)格昂貴，會(huì)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(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，上述2 種技術(shù)沒(méi)有有效改善異步電機(jī)轉(zhuǎn)速易受電磁干擾限制的問(wèn)題[4]。

基于以上背景，本文將離散變頻技術(shù)應(yīng)用到石油天然氣站異步電機(jī)中。離散變頻技術(shù)是現(xiàn)代電子通信、雷達(dá)等系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，離散變頻作為微波光子學(xué)在變頻信號(hào)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(jī)存在的瓶頸。離散變頻技術(shù)一般采用雙繞組變頻裝置，克服了異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，同時(shí)具有較高的傳輸容量以及抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)。有效提高了石油天然氣站異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的重載起動(dòng)。

1 石油天然氣站異步電機(jī)的離散變頻技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 分析異步電機(jī)的離散變頻相序

為了提高石油天然氣站異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在分析石油天然氣站異步電機(jī)的離散變頻相序之前，先選取異步電機(jī)的最低頻段，選擇的離散頻率越低，異步電機(jī)包含的工頻半周數(shù)目就會(huì)越多，不僅增加了異步電機(jī)控制程序的復(fù)雜程度，還延長(zhǎng)了異步電機(jī)的起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)[5]。因此在選擇異步電機(jī)的最低頻率時(shí)，主要考慮異步電機(jī)在低頻段下是否具有足夠大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和足夠小的起動(dòng)電流，石油天然氣站異步電機(jī)在滿足轉(zhuǎn)矩和電流2 個(gè)條件的情況下，則可以進(jìn)行離散變頻相序的分析。

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

圖1 石油天然氣站異步電機(jī)四分頻觸發(fā)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(jī)每一個(gè)工頻周期都是由2 個(gè)半波組成的，經(jīng)過(guò)離散變頻后，異步電機(jī)零相位點(diǎn)的位置點(diǎn)數(shù)為

式中：r 表示異步電機(jī)的分頻數(shù)。離散變頻結(jié)束后，異步電機(jī)基波信號(hào)的零點(diǎn)就是原信號(hào)的零點(diǎn)，根據(jù)式（1）可以確定異步電機(jī)每一個(gè)分頻所對(duì)應(yīng)的的基波數(shù)[7]。異步電機(jī)經(jīng)過(guò)離散變頻后，異步電機(jī)原始半周波的相位角只有如果異步電機(jī)二分頻為90°，那么可以得到異步電機(jī)變頻波形互差相等的角度為

設(shè)異步電機(jī)原工頻信號(hào)的最初相位角為0°，那么異步電機(jī)在離散變頻下波形的初相位φr為

式中：k 表示工頻信號(hào)相位幅值。假設(shè)異步電機(jī)原工頻電源的角速度為ω，那么經(jīng)過(guò)離散變頻后，異步電機(jī)的基波角速度為ωr，對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行離散變頻后，三相對(duì)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(gè)數(shù)。異步電機(jī)經(jīng)過(guò)離散變頻后，b 相零點(diǎn)對(duì)應(yīng)原工頻B 相在時(shí)間領(lǐng)域內(nèi)的某一個(gè)點(diǎn)，那么B 相經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該滿足：

由此可見(jiàn)，如果異步電機(jī)的分頻數(shù)目等于4、7、10、13 時(shí)，經(jīng)過(guò)離散變頻后，可以得到對(duì)稱的供電電源[8]。同理，可以推斷出異步電機(jī)供電電源的分頻數(shù)為

利用石油天然氣站異步電機(jī)的四分頻觸發(fā)方式，得到異步電機(jī)變頻波形互差相等的角度，對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行離散變頻處理后，推斷出異步電機(jī)供電電源的分頻數(shù)，完成了石油天然氣站異步電機(jī)的離散變頻相序分析[9]；接下來(lái)通過(guò)計(jì)算石油天然氣站異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，來(lái)實(shí)現(xiàn)石油天然氣站異步電機(jī)的離散變頻。

1.2 計(jì)算石油天然氣站異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

將降壓起動(dòng)裝置和變頻器運(yùn)用到石油天然氣站異步電機(jī)中，受到限流恒壓驅(qū)動(dòng)和起動(dòng)電壓的影響，起動(dòng)限流加大會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，從而降低了電機(jī)的運(yùn)行速度。因此本文通過(guò)石油天然氣站異步電機(jī)在正序電壓和負(fù)序電壓下的等效電路，來(lái)求得異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而提高石油天然氣站異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速[10]。當(dāng)正序電壓和負(fù)序電壓作用到石油天然氣站的異步電機(jī)上時(shí)，異步電機(jī)的等效電路如圖2所示。

圖2 石油天然氣站異步電機(jī)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(jī)定子的電阻和電抗，R2′、X2σ′分別表示異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻和電抗，Rm、Xm分別表示勵(lì)磁電阻和電抗，s 表示離散變頻的轉(zhuǎn)差率。運(yùn)用設(shè)計(jì)的電路能夠使電機(jī)電流特性曲線變得更加陡直，使電流峰值很快達(dá)到飽和狀態(tài)，得到穩(wěn)態(tài)的電流值，增加電機(jī)繞組的有效電流，使電機(jī)的無(wú)功損耗降低，從而有效抑制電磁干擾的影響，達(dá)到提高運(yùn)行速度的目的。

石油天然氣站異步電機(jī)在離散變頻起動(dòng)過(guò)程中，離散變頻電壓相序中不存在對(duì)稱正序的分頻段[11]，因此必須將異步電機(jī)中的基波電壓分解成相應(yīng)的正、負(fù)序分量。計(jì)算石油天然氣站異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要綜合考慮正、負(fù)序分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩[12]。

當(dāng)電壓的正序分量作用于異步電機(jī)時(shí)，異步電機(jī)產(chǎn)生的正序阻抗總值Z+為

式中：j 表示電導(dǎo)率。根據(jù)歐姆定律可以計(jì)算出異步電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流分別為

式中：U1+表示導(dǎo)體兩端的電壓。

由于異步電機(jī)勵(lì)磁電流相對(duì)于定子和轉(zhuǎn)子的電流比較小，通常情況下可以忽略不計(jì)[13]，根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，可以計(jì)算出異步電機(jī)正序電壓產(chǎn)生的正電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：np表示石油天然氣站異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)；f 表示異步電機(jī)供電電源的工作頻率。

當(dāng)電壓的負(fù)序分量作用于異步電機(jī)時(shí)，異步電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)序阻抗總值Z-為

根據(jù)歐姆定律，得到異步電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流分別為

利用異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，計(jì)算得到異步電機(jī)負(fù)序電壓產(chǎn)生的負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩為

在沒(méi)有對(duì)稱正序組合的離散變頻技術(shù)下，異步電機(jī)產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩為

石油天然氣站的異步電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，將轉(zhuǎn)差率s＝1 代入到式（11）和式（15）中[14-15]，可以計(jì)算得到異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

綜上所述，基于石油天然氣站異步電機(jī)的等效電路分析，分別考慮正、負(fù)序分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算了異步電機(jī)產(chǎn)生的正、負(fù)序阻抗總值，結(jié)合歐姆定律計(jì)算了異步電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流，最后通過(guò)異步電機(jī)正、負(fù)序電壓產(chǎn)生的正、負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩，完成石油天然氣站異步電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了石油天然氣站異步電機(jī)的離散變頻。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Simulation experiment model

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)比分析降壓起動(dòng)裝置在異步電機(jī)中的應(yīng)用效果、變頻器在異步電機(jī)中的應(yīng)用效果和本文設(shè)計(jì)離散變頻技術(shù)在石油天然氣站異步電機(jī)中的應(yīng)用效果，設(shè)置不同的電磁干擾條件，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 構(gòu)建仿真模型

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

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的完整性是實(shí)現(xiàn)石油天然氣站異步電機(jī)穩(wěn)定工作的前提，實(shí)驗(yàn)具體實(shí)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(jī)離散變頻各個(gè)模塊的初始化，程序初始化流程如圖4 所示。

步驟2：檢測(cè)仿真程序

在起動(dòng)異步電機(jī)之前，對(duì)仿真程序可能存在的各種故障進(jìn)行檢測(cè)，如果仿真程序存在故障，立即處理故障，如果沒(méi)有故障則等待異步電機(jī)起動(dòng)指令。

步驟3：選擇異步電機(jī)的起動(dòng)方式

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

步驟4：判斷異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)

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

異步電機(jī)起動(dòng)完成后，分別將降壓起動(dòng)技術(shù)、變頻器技術(shù)和提出的離散變頻技術(shù)載入到仿真程序中，給異步電機(jī)施加相同的頻率。

步驟5：記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)給異步電機(jī)施加頻率的同時(shí)，記錄正常狀態(tài)下（無(wú)電磁干擾）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系，繪制石油天然氣站異步電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線。

當(dāng)給異步電機(jī)施加頻率的同時(shí)，分別記錄電磁干擾強(qiáng)度較大時(shí)和干擾強(qiáng)度較小時(shí)的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，繪制石油天然氣站異步電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線，如圖5 所示。

圖5 石油天然氣站異步電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)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(wú)電磁干擾條件下，降壓起動(dòng)技術(shù)、變頻器技術(shù)和離散變頻技術(shù)均能獲得較高的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，三種技術(shù)下的轉(zhuǎn)速差異不明顯。

分析圖5（b）可以看出，在電磁干擾強(qiáng)度低的條件下，離散變頻技術(shù)的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯高于降壓起動(dòng)技術(shù)和變頻器技術(shù)，應(yīng)用離散變頻技術(shù)時(shí)，在頻率為1000 Hz 時(shí)，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)9000 r/min。

分析圖5（c）可以看出，在電磁干擾強(qiáng)度高的條件下，當(dāng)頻率小于400 Hz 時(shí)，降壓起動(dòng)技術(shù)和變頻器技術(shù)由于負(fù)載過(guò)大，使異步電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致石油天然氣站異步電機(jī)轉(zhuǎn)速較低；雖然隨著頻率的增大，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速有所上升，但是上升趨勢(shì)不明顯。采用離散變頻技術(shù)時(shí)，石油天然氣站異步電機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢(shì)，雖然頻率在200 Hz～300 Hz 之間時(shí)，略有下降，但是整體轉(zhuǎn)速明顯高于降壓起動(dòng)技術(shù)和變頻器技術(shù)。

通過(guò)上述分析可知，離散變頻技術(shù)可以有效抑制電磁干擾，加快石油天然氣站異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是由于該技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)異步電機(jī)電路，加快了電流峰值達(dá)到飽和狀態(tài)的速度，抑制了無(wú)效電流和干擾電流，增加了電機(jī)繞組的有效電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁干擾的抑制，從而達(dá)到了提高運(yùn)行速度的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了離散變頻技術(shù)在石油天然氣站異步電機(jī)中的應(yīng)用。通過(guò)異步電機(jī)離散變頻處理得到異步電機(jī)供電電源的分頻數(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并分析異步電機(jī)的等效電路，計(jì)算異步電機(jī)產(chǎn)生的正、負(fù)序阻抗總值，并進(jìn)行正負(fù)電磁之間的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)石油天然氣站異步電機(jī)的離散變頻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石油天然氣站異步電機(jī)的離散變頻技術(shù)能有效抑制不同程度的電磁干擾，具有較高的變頻性能。