趙選鋒 江 兵 楊 亮

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

0 前言

離心壓縮機是天然氣增壓輸送和天然氣液化系統(tǒng)的重要設備,大型電驅系統(tǒng)驅動壓縮機的技術方案在輸氣管道中廣泛運用,變頻器與同步電機構成的電驅系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬的優(yōu)勢,且國產(chǎn)化后大大降低了總體設備費用,實際運行中通過壓縮機電驅系統(tǒng)調(diào)節(jié)，壓縮機與輸氣管道/液化工廠的變工況運行/調(diào)峰需求完美契合,可以節(jié)約運行成本,提高項目整體效益。

目前，國內(nèi)輸氣管道電驅壓氣站主要以16 MW以上功率等級的電驅系統(tǒng)為主,輸氣作業(yè)的多變工況要求控制壓縮機運行的流量和壓力。由于壓縮機處于易燃易爆廠房環(huán)境,為避免勵磁碳刷摩擦產(chǎn)生火花,通常采用正壓通風型無刷勵磁同步電機驅動,變頻器采用無編碼器(即位置傳感器)方式控制電機,無需周期性調(diào)節(jié)編碼器的安裝精度,去除同步電機編碼器的維護工作[1-2]。壓縮機啟動時,同步電機轉速為零,變頻器需要注入電機定子和轉子電流,通過算法獲得轉子準確位置,從該位置以同步方式啟動電機。不同控制方案存在控制策略及算法上的差別，在計算轉子位置過程中會施加轉矩導致同步電機正轉或反轉一定角度,而某些壓縮機密封系統(tǒng)(如單向干氣密封)是禁止反轉的,因此需要采用一種合理的控制方案解決反轉問題。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 管道壓縮機驅動系統(tǒng)概述

常用的離心壓縮機組由壓縮機、驅動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等構成。以某輸氣管道的壓縮機組為例，整流變壓器、功率單元、無刷勵磁系統(tǒng)、同步電機、控制系統(tǒng)構成了16 MW電驅系統(tǒng)部分[4],見圖1。壓縮機部分包括主機和底座,以及聯(lián)軸器、齒輪箱、干氣密封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、機械保護系統(tǒng)。正常工況下,壓縮機在65%～105%額定轉速范圍內(nèi)連續(xù)運行,同步電機額定轉速1 800 r/min,通過齒輪箱增速至壓縮機額定轉速11 420 r/min。干氣密封系統(tǒng)主要用于離心壓縮機[5]、螺桿壓縮機、膨脹機等設備的軸封,是避免易燃氣體沿壓縮機級間或軸端泄漏而采取的有效措施[6]。

圖1 壓縮機組電驅系統(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計,動環(huán)面上加工有一系列的螺旋形流體動壓槽并經(jīng)過特殊拋光處理,運轉時氣體隨環(huán)旋轉由外徑朝向中心,徑向分量朝著密封堰流動,達到一定轉速后產(chǎn)生足夠的推力將動密封面和靜密封面推開,流動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現(xiàn)無接觸軸封，見圖2。壓縮機的啟動/停止對干氣密封系統(tǒng)的可靠性和壽命影響最大,尤其是對單向干氣密封系統(tǒng)的壓縮機,長期多次啟動反轉將會損壞干氣密封系統(tǒng)[8],本案例的電機轉子反轉180°,壓縮機轉子將反轉超過1 080°,反向轉動不利于氣膜形成,并有可能損傷密封端面。因此,抑制同步電機反轉是壓縮機安全啟動、保護干氣密封系統(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 變頻器啟動控制方案

無刷勵磁同步電機無位置傳感器的控制方式對管道壓縮機而言,在安裝、維護、抗干擾能力方面具有明顯優(yōu)勢[9]。同步電機啟動的關鍵是計算出轉子具體的空間位置,并準確識別轉子正負極性[10]。通過不同的算法獲得轉子初始位置是變頻器控制技術領域的熱點之一。

2.1 強制啟動

強制啟動是一種經(jīng)典且簡單可靠的啟動方案,適用于有刷勵磁、無刷勵磁和永磁同步電機。強制啟動方案需事先設定電機轉子定位時的最大限制電流和電流斜坡上升時間,啟動同步電機時,變頻器先執(zhí)行無位置傳感器定位算法,將轉子電磁角度0°和機械角度0°對齊。此位置的電氣特征是:電機定子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。然后從此位置啟動電機,定位時間取決于最大電流和斜坡時間的設定值,通常為18～40 s,由于啟動前轉子在360°空間的位置是任意的,變頻器控制算法選擇電磁角度0°與機械角度0°對齊的最短路徑,不考慮電機正反轉。因此,理論上轉子正反轉各有50%的概率。

2.2 勵磁啟動

勵磁啟動控制方案的原理是在同步電機勵磁機繞組注入快速上升的勵磁電流并建立磁場,電機定子繞組處于此磁場中因而產(chǎn)生感應電流,根據(jù)楞次定律,電流變化率越快,電機定子繞組中感應電流越明顯,當測量到電流值超過設定值時判定轉子位置探測成功[11]?；跍y量到的定子電流矢量關系計算出轉子的準確位置和極性,然后從探測到的轉子位置直接啟動電機,啟動時間約5～15 s。勵磁電流變化率受到電感負載的制約,有刷勵磁同步電機的直流電流可以快速注入轉子繞組,因此響應速度一般能滿足要求,而無刷勵磁同步電機勵磁機輸出的交流電流，通過電感特性的旋轉變壓器整流回路，轉換為直流勵磁電流供給轉子繞阻，該電流變化率很小，很難在定子繞組感應出滿足探測需要的電流值。因此,該方法適用于多數(shù)有刷勵磁同步電機和極少部分無刷勵磁同步電機。

2.3 極性探測啟動

極性探測啟動方案的控制原理是在電機的轉子注入較大的勵磁電流使電機磁通飽和,定子繞組注入1～1.5倍額定電流,在轉子特定的幾個電磁角度位置(通常以A相繞組為基準)分別測量電流矢量,建立矢量模型計算出轉子的大致位置[2],該計算值存在誤差需進行修正。因此，在該位置附近向電機轉子繞組分別注入正、負向的電流矢量,檢測兩種情況下定子對應的飽和程度,飽和度深為正極性,飽和度淺為負極性,同時計算出轉子的準確位置,從該位置以同步轉速啟動電機即可[12]。

極性探測啟動要求同步電機的交軸、直軸超瞬變電抗百分比有明顯差異,本案例壓縮機組同步電機交軸、直軸的超瞬變電抗百分比分別為16.9%和26.4%,現(xiàn)場進行300余次啟動測試結論是:如果極性探測成功,探測過程時間約3～8 s;極性探測失敗時,就會出現(xiàn)定子過電流、勵磁過電流、極性探測失敗等故障報警,啟動成功率80%左右。所以該方法通常用于啟動可靠性要求不高的場合,在管道壓縮機的電驅系統(tǒng)中應用較少。

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

計算轉子位置時引入的重要參數(shù)轉子阻抗是標量,無法判斷轉子的極性,存在180°偏差的可能,因此需要進行極性判斷,才能得到轉子的準確信息。注入定子的低頻電壓脈沖同時也會對勵磁電流產(chǎn)生影響,測量轉子對應位置的勵磁電流,折算成標幺值,解析后的基波分量為轉子電流指示，見圖4。圖4中γ角定義為轉子電流指示的函數(shù),由不同的采樣點繪成曲線[15],以脈沖注入的角差(Δγ)為橫軸，縱軸為勵磁電流變量標幺值(ΔIf/IfN)，周期為360°，最高點為轉子正極性，最低點為轉子負極性。由定子電流和轉子電流指示函數(shù)曲線合并的實測曲線得到轉子準確位置。

圖4 轉子電流的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)場測試

變頻器啟動同步電機時,低頻脈沖注入的控制方案是通過啟動算法確定轉子電磁角度0°初始位置,然后在此位置直接同步啟動[16]。因此,確定轉子初始位置是同步電機正常啟動的前提,直接影響啟動轉矩和控制品質(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,才能得到標準的定子電流和轉子電流指示函數(shù)曲線,該過程稱為識別運行。識別運行主要是通過注入不同頻率和幅值組合的電壓脈沖,記錄對應的定子和轉子函數(shù)曲線,接近正弦或余弦的曲線表明與電機特性匹配較好,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)行識別運行時,電機不會連續(xù)轉動,只會在靜止位置小幅搖擺。

圖5 10 Hz/0.6%額定電壓識別運行指示圖Fig.5 10 Hz/0.6% Ue ID run curve

圖6 5 Hz/0.2%額定電壓識別運行指示圖Fig.6 5 Hz/0.2% Ue ID run curve

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，準確識別轉子位置和極性的必要條件是定子電流、轉子電流指示函數(shù)曲線近似正弦或余弦曲線。通過識別運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)過啟動驗證后固化參數(shù),電機啟動時變頻器自動注入該頻率和幅值的電壓脈沖,無需重復執(zhí)行識別運行。對于不同特性的電機,電壓脈沖參數(shù)(頻率和幅值)的最佳組合是有差別的,調(diào)試時必須通過識別運行確定最佳組合,再固化參數(shù)。

3.2 啟動同步電機

電機啟動過程中注入電壓脈沖時參數(shù)變化見圖7,變頻器通過控制勵磁機向同步電機轉子注入勵磁電流,建立磁場,電壓脈沖從0°(定子A相繞組為0°基準,逆時針方向為正角度)、30°、60°、90°、120°和150°等6個角度方向依次注入電機定子繞組,階段1～7的6個角度稱為γ角,覆蓋了1個180°的循環(huán)周期,通過6個角度的定子電流實測值解析成定子電流指示,由此計算出轉子位置，增加階段7則是驗證轉子位置的準確性，見圖8。與此同時,注入的低頻電壓脈沖影響轉子勵磁電流,根據(jù)6個角度勵磁電流的實測值,解析成轉子電流指示,由此得出轉子的正負極性。如果是正極性,則計算出的γ角就是轉子位置角,否則需要在γ角基礎上偏移180°(正負極性相差180°)。電機轉子位置和極性確定后,電機磁通量升至100%,具備啟動電機的條件,變頻器以預先設定的加速時間控制同步電機加速至給定速度，啟動完成。

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

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

3.3 抑制反轉

變頻器低頻脈沖注入控制方案研發(fā)后缺少與電機聯(lián)機測試數(shù)據(jù)進行驗證,本案例壓縮機組現(xiàn)場調(diào)試過程中,采用低頻脈沖注入控制方案啟動電機時,電機轉子有明顯的反轉(最大反轉角度達到60°),必須回到初始位置開始升速,經(jīng)過多次測試反轉概率仍然有10%,現(xiàn)場記錄的反轉和無反轉典型速度響應見圖9～10。

圖9 電機啟動反轉時電機速度響應圖Fig.9 Speed response of motor with rotation inversion during starting

圖10 電機啟動無反轉時速度響應圖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)反轉原因是轉子位置計算不夠準確,勵磁機晶閘管工作時會產(chǎn)生諧波電流干擾,造成計算位置和實際位置的誤差超過了變頻器的允許值,待電機反轉一定角度后，變頻器的直接轉矩控制算法利用實測定子電流和轉子電流在初始轉子位置估計坐標系中建立與位置角相關的誤差函數(shù)[19]識別出電機反轉。為此改進了軟件控制算法,設計了一種基于離散位置信號諧波分析的觀測器[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的探測到轉子位置后反復驗證的階段8、9、10，以階段1～7的轉子位置和極性為基本參數(shù)，在轉子位置的負極增加一次逆向驗證,電壓脈沖注入幅值與階段7相同,以確保階段9獲得的轉子位置、極性與階段7相同,在此轉子位置上沿電機反轉方向偏移10°,從而消除探測誤差的影響。增加修正后,以階段10偏移10°后的電角度作為最終轉子位置啟動電機。隨后經(jīng)過400余次啟動驗證試驗,沒有出現(xiàn)反轉,壓縮機組進入試運行階段。

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

4 結論

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,適用于所有無刷勵磁和有刷勵磁同步電機的無位置傳感器啟動。在某輸氣管道工程壓縮機組調(diào)試過程中修正控制策略,有效解決了轉子定位時發(fā)生反轉的問題,同時積累了大量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),并推廣運用到類似管道壓縮機組,大大減少了調(diào)試時間,也驗證了控制方案的可靠性及可用性,是一種理想的無刷勵磁無位置傳感器同步電機啟動方案。低頻脈沖注入在輸氣管道電驅壓氣站的成功運用,徹底解決了啟動過程同步電機反轉引起的壓縮機干氣密封性能損壞和使用壽命降低問題,是目前電驅系統(tǒng)的最佳控制方案。