大功率离心式制冷压缩机异步电机无速度传感器直接传动控制研究及应用.pdf

第2 3卷 第9期2023年9月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G8 2-8 6收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 6,修回日期:2 0 2 2-1 1-0 8作者简介:曾小凡,主要从事大功率交流传动系统及控制工作。大功率离心式制冷压缩机异步电机无速度传感器直接传动控制研究及应用曾小凡 李嘉 张哲 文亮(中车株洲电力机车研究所有限公司)摘 要 离心式制冷压缩机领域异步牵引电机通常不安装转速传感器,开环的恒压频比(V/F)控制模式无法很好地应对负载及母线电压的波动,因此,采用无速度传感器闭环控制实现机组的安全可靠运行十分必要。文章介绍了异步直驱系统基本原理,对大功率高速异步直驱系统无速度传感器闭环矢量控制技术进行研究,运用异步电机分段无速度控制的策略,最后通过装机试验验证了该方案的有效性。关键词 大功率空调;异步直驱;无速度传感器R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fa s y n c h r o n o u s s e n s o r l e s sd i r e c td r i v ec o n t r o l f o rh i g hp o w e r i n v e r t e ra i rc o n d i t i o n e rZ e n gX i a o f a n L i J i a Z h a n gZ h e W e nL i a n g(C R R CZ h u z h o uI n s t i t u t eC o.,L t d.)A B S T R A C T A s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o ri nt h ef i e l do fc e n t r i f u g a lr e f r i g e r a t i o nc o m-p r e s s o ru s u a l l yd on o t i n s t a l l t h es p e e ds e n s o r,t h eo p e n-l o o pc o n s t a n tv o l t a g ef r e q u e n c yr a t i oc o n t r o lm o d e(V/F)c a ntd e a lw e l lw h e nl o a da n db u sv o l t a g ef l u c t u a t i o n s,t h e r e-f o r e,c l o s e d-l o o ps e n s o r l e s sc o n t r o l i t i sn e c e s s a r y t o r e a l i z e t h e s a f e a n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f t h eu n i t,t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ea s y n c h r o n o u sd i r e c t-d r i v es y s t e m,T h ec l o s e d-l o o ps e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yo fh i g hp o w e ra n dh i g hs p e e da s y n c h r o n o u sd i r e c td r i v es y s t e mi ss t u d i e d.B a s e do nt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so fa i rc o n d i t i o n i n gu n i t,t h es t r a t e g yo fp i e c e w i s ec l o s e d-l o o ps e n s o r l e s sc o n t r o l i sa d o p t e d,a n df i n a l l yt h ee f f e c t i v e-n e s so f t h es c h e m e i sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s.K E Y WO R D S h i g hp o w e ra i rc o n d i t i o n e r;a s y n c h r o n o u sd i r e c td r i v i n g;s p e e ds e n s o r l e s s 随着国家的节能低碳战略实行,节能减排深入人心,降低离心式制冷压缩机的能耗、提高能源利用率对践行我国节能低碳战略具有重要意义。中央空调的负荷变化较大,定频的离心式制冷压缩机经常出现“大马拉小车”的现场,因此造成了较多能源浪费。高效的变频传动和直接传动已逐步替代传统定频传动和齿轮间接传动成为主流发展方向1-3。变频驱动是大功率离心式制冷压缩机重要组成部分,驱动电机通常不安装转速传感器,对交流感应电机的控制提出了较高要求,采用恒压频比的V/F不需要转速传感器,但动态性能较差,在 母 线 电 压 变 化 以 及 负 载 波 动(如 喘振)时稳定性变差,同时难以做到最大转矩电流比控制,有较大的无功电流,降低了传动效率。因此采用无速度闭环控制策略非常有必要4。大功率离心式制冷压缩机负载特性与转速相关,低速负载较轻,高速负载重,针对这种负载特点,文章采用分段无速度传感器矢量控制模式,在异步电机低速段使用基于双电流闭环的开环启动策略,中高速度段使用基于数学模型的模型参考自适应转速估计方法5,最后,通过试验验证了该方案的正确性和有效性。1 高速变频空调异步直接传动系统简介市网所提供的三相交流电源经过变压器后转 第9期曾小凡 等:大功率离心式制冷压缩机异步电机无速度传感器直接传动控制研究及应用8 3 换成三相3 8 0V/5 0H z的变频器输入,变频器通过C AN或者R S 4 8 5通信与离心式制冷压缩机上位机传输数据,根据上位机需要把输入电压转换成幅值和频率可调的脉宽调制电压来控制电机调速,同时带动压缩机做功6。运行过程中变频器的开关模块和电机会产生大量的热量,通常的水冷散热能力难以保证,而制冷剂系统具有载冷能力强、挥发性小、冰点低且无毒无异味的优点,因此用来作为离心式制冷压缩机变频系统的冷却装置。与传统的系统拓扑相比,省去机械齿轮箱,采用高效的异步牵引电机等,效率可提升3%5%,其系统拓扑如图1所示。图1 高速异步直接传动系统拓扑图 将高速异步直接传动系统与传统间接传动系统从物理架构对比(图2)以及效率、体积、噪声等进行了全方位分析(表1),结果显示各项关键指标都达优异水平,因此,高速异步直接传动系统符合绿色环保、节能减排的发展主题,是下一代高速传动系统的重要发展方向。图2 物理架构(间接与直接驱动)对比表1 系统对比类别常规传动系统直驱系统效率基准提升3%5%体积基准减少3 0%噪声基准降低5d B2 异步电机矢量控制异步电机数学模型是一个非线性、多变量、强耦合系统。通常采用磁场定向的旋转坐标系进行分析,异步电机矢量控制磁场定向轴有转子磁场定向、气隙磁场定向、定子磁场定向3种,采用转子磁场定向时,转子磁链只与定子电流的励磁分量有关,电磁转矩与定子电流的转矩分量有关,其他两种定 向 难 以 实 现 励 磁 电 流 和 转 矩 电 流 的 解耦7-8,文章采用转子磁场定向方式。采用以转子磁链方向的轴为d轴,超前于转子磁链且正交的轴为q轴,此时的坐标系为转子磁场定向的同步旋转坐标系。异步电机在转子磁场定向的同步旋转坐标系下的电压方程为:us dus q00=Rs+Lsp-sLsLmp-sLmsLsRs+LspsLmLmpLmp0Rr+Lrp0s lLm0s lLr dRr+Lrpis dis qir dir q(1)式(1)中:is d、is q、ir d、ir q分别为定转子电流在d、q轴的分量;us d、us q分别为定子电压在d、q轴的分量;s l为转差角速度;s为同步旋转角速度;Rs、Rr为定转子电阻,Lm为励磁电感;Ls为定子电感;Lr为转子电感;p为微分算子。转子磁链用定转子电流可以表示为:r=Lmis d+Lrir d(2)根据电压方程式第三行和式(2)可得转子磁场和定子直轴电流的关系为:r=LmTrp+1is d(3)式(3)中,Tr=LrRr,为转子励磁时间常数。式(3)说明,转子磁链受定子直轴电流is d控制,并有一阶惯性关系,又把is d称为定子电流励磁分量。异步电机转矩方程为Te=npLmLris qr=npL2mLris qis d(4)式(4)中,np为电机极对数。8 4 第2 3卷 在转矩公式中,在转子磁场一定的情况下,电磁转矩受交轴电流is q控制,又称为定子电流的转矩分量。可见在转子磁场定向的d q坐标系中,定子电流被分为两个独立的变量,它们可以分别对电动机的磁通和转矩进行控制。矢量控制是为转子磁场定向控制,因此转子磁场的准确性直接影响到控制效果。3 矢量控制下弱磁控制异步电机稳态情况下电压方程为:us d=is dRs-is q Lssus q=is qRs-is dLss(5)式(5)中,=1-L2m/(LsLr),为电机漏感系数。由式(5)可以看出,随着转速升高,所需的输出电压越来越大,但受母线电压限制,逆变器输出电压是有最大值us m a x的,如式(6)所示:u2s d+u2s qu2s m a x(6)高速下,忽略电阻的影响,将式(5)带入式(6),可以得到电压约束方程:(Lsis d)2+(Ls is q)2us m a xs2(7)同时,逆变器还受最大输出电流限制,i2s d+i2s qi2s m a x(8)可以看出,电流极限限制是圆形,电压限制条件是椭圆,在大功率变频空调领域,考虑到负载特性和过载需求,系统设计上通常电流极限圆裕量比较大,高速下电压极限椭圆是主要限制因数。在基速以下区域,电压极限椭圆不是限制因素,通常的做法是励磁电流按照最大转矩时对应的恒转子磁通进行给定。这样的优势是不需要等待转子磁场的建立过程,转矩能够快速变化,但是在其他转矩下并不是最大转矩电流的关系,会产生额外的电流损耗。对于压缩机负载,转矩并不会突变,因此可以采用最大转矩电流比进行控制,同时限制一个较小的励磁电流。随着转速升高,同步角速度越来越大,电压极限椭圆会逐渐变小,当电流矢量处于电压极限椭圆边界时便进入弱磁区,设某一时刻电机转速为1,所需转矩为Te 2,运行在电流矢量A点(图3),此时增加电磁转矩到此转速下的极限值Te 1,稳态下电流矢量轨迹在电压极限椭圆上,电机电流矢量沿AB方向运动,励磁电流减小,转矩电流增加,电流幅值增加,转矩增加。图3 异步电机d q电流坐标系下弱磁示意图如要继续升速,产生最大输出转矩的电流矢量将沿着方向BC运行,由于最大输出转矩下降,此时需要降低负载转矩。根据以上分析可知,可以通过输出电压和最大电压的闭环P I调节,当输出电压幅值大于最大电压时,生成一个降低励磁电流的输出值,当输出电压幅值小于最大电压时不需要弱磁,因此将闭环P I调节输出的最大值限制为零。无速度传感器矢量控制框如图4所示。通过上位机给定转速,和转速辨识模块的估计转速经过P I调节器后生成电流幅值给定,电流幅值给定再按最大转矩电流比分配励磁电流和转矩电流给定,通过转矩电流和励磁电流的闭环调节产生电压指令信号,同时通过电压闭环调节励磁电流给定完成弱磁控制,电压指令信号通过空间矢量调制后生成开关信号驱动三相逆变器的开关管实现对电机调速。4 异步电机无速度控制在异步电机的中高速段,由于电机输出电压比较高,通常采用基于电机模型的速度估计策略(图5),模型参考自适应理论(m a r s)不仅直观、方便,同时对系统具有很好的跟踪能力。在许多领域得到了广泛应用9-1 0。电压模型为参考模型,外部输入为电压电流信号,输出为电压模型的状态矢量转子磁链值r v,电流模型为可调模型,外部输入电流信号,输出为流模型的状态矢量转子磁链值r c,将两个模型的转子磁链矢量差值输入自适应机构,由自适应机构修改可调模型的参数,使转子磁链值r c能够迅速而稳定地逼近r v。通过异步电机的数学方程,可以得到转子磁链电压模型为 第9期曾小凡 等:大功率离心式制冷压缩机异步电机无速度传感器直接传动控制研究及应用8 5 图4 异步电机无速度传感器矢量控制框图图5 异步电机基于模型参考自适应的转速辨识框图r=LrLm(us-(rs+Lsp)is)dtr=LrLm(us-(rs+Lsp)is)dt(8)转子磁链电流模型为pr=LmLris-r aTr-rrpr=LmLris-r aTr+rr (9)电压模型不含有转速参数,且认为电压模型表示的电动机状态与实际状态相符合的理想模型。电流模型中含有转速参数,也是可调参数,需要利用参考模型和可调模型的状态误差产生合适的自适应规律,使可调模型的转速估计值能较快地逼近真实值。令动态广义误差e=r v-r c,可调模型的误差状态方程为:dedtdedt=-1/Tr-rr-1/Tree-(e s t-r)Jr c_r c_(1 0)根据波波夫稳定性理论,当转速辨识自适应机构选取如下结构时,由可调模型的误差状态方程构成的反馈系统一定是渐进稳定的。e s t=KP(r c_r v_-r v_r c_)+t0Ki(r c_r v_-r v_r c_)dt(1 1)在异步电机模型参考自适应转速辨识系统中,需要明确输入的电压和电机本体参数信息,在低速时,由于输出电压小,受死区时间,采样误差以及电机参数等的影响下,电机转速辨识会变得不准确,考虑到压缩机负载低速带载要求不高,这里用虚拟位置给定启动策略,当达到一定转速后切换到中高速的无速度闭环控制策略。根据异步电机转矩方程,设电机转子磁链处于稳态情况,那么r=Lmid,将定子电流沿d/q轴分解有:id=isc o siq=iss i n(1 2)将式(1 2)带入转矩公式(4)有:Te=npL2mLri2sc o ss i n(1 3)假设电流幅值不变,将力矩关于转子磁链位置角求导得:T e=npL2mLri2sc o s(2)(1 4)由式(1 4)可知,在电流幅值不变的情况下,位置角在04 5 时力矩是增加的,在4 5 9 0 是降低 8 6 第2 3卷 的,在4 5 时力矩达到最大值。虚拟位置给定启动策略整体框图与图3类似,主要区别是转速辨识模块的位置信号是由给定转速的积分得到,如图6所示。图6 虚拟位置给定启动策略框图在这种控制模式下,转速环的P I调节不起作用,直接按照一定的比例分配励磁电流和转矩电流给定,通常励磁电流给定大于转矩电流给定。图7 虚拟位置给定启动策略电流矢量图假设某一时刻电机实际转子磁链落后转子磁链位置且偏差小于4 5,如图7所示那么力矩会增加,使加速度加快。相反,如果某一时刻电机实际转子磁链超前给定转子磁链位置,那么力矩会降低,使加速度降低。因此这种开环控制模式具有一定的带载能力,且能通过这种固有特性调节完成加速启动控制。在低速阶段,转子产生的反电势低,电流可以通过闭环实现调节实现跟踪,同时产生圆形磁链。相比于V/F,这种控制模式具有电流谐波小,且不需要准确的电压给定。5 装机试验根据上面所述方案在大功率变频离心式制冷压缩机进行了装机试验,异步电机额定电压3 8 0V,额定电流5 5 0 A,额 定 频 率1 6 0 H z,额 定 转 速96 0 0r/m i n,综合逆变器散热和电流谐波等因数,开关频率为25 0 0H z,在采用开环V/F模式下,机组在运行在8 0H z时开导叶,增加负载时,出现母线电压和电流抖动现象如图8所示。说明开环的V/F控制无法较好地应对压缩机负载变化,系统稳定性较差,这种低频的力矩抖动对变频器和压缩机均有不良影响。针对该问题,后采用文章提出的分段闭环控制策略进行了试验验证,低速启动阶段通过虚拟位置给定启动策略同时采用实时的高速位置估计图8 开环V/F模式下电压电流波动方法,待运行至某一转速后切换至高速无速度控制模式。启动阶段波形如图9所示。可以看到启动阶段虽受逆变器死区的影响,电流仍有较好的正弦度,高速的转速估计方法也能实时跟踪给定。图9 加速启动阶段电机电流和转速波形中速半载波形和高速满载波形分别如图1 0和图1 1所示。可以看到中高速段无论是半载还是满载均运行平稳,波形一致性好,转速波动小,电流大小与负载功率相匹配,满足压缩机负载运行需求。图1 0 中速半载时电机电流和转速波形图1 1 额定转速满载时电机电流和转速波形(下转第9 6页)9 6 第2 3卷 低进行报警保护,防止水泵卡转导致烧毁,起到对机组的保护作用,并可有效的防止低水流量导致的外机频繁启停及舒适性下降导致投诉等情况发生。2)水流量在5 0%时仍然能发挥出机组能力的9 0%以上,考虑到市场上对于水泵选型较小导致的流量过低,同时为防止水流量过低保护的误报警,因此在制定保护参数时,3 0%水流量以下才开始触发保护是较为稳妥的选择。3)该水流量保护方式目前仅在天氟地水及与之原理相近的空调机型上进行了试验验证,其余涉水机型由于水-氟换热器在制冷或除霜时处于制冷剂的低压区,为防止换热器冻坏导致的整个机组进水,因此其对保护的及时性及可靠性有更高的要求,暂时无法使用该控制方式。参 考 文 献1 王喜春,齐家业,胡翀赫.基于物联监测系统的夏热冬冷地区空气源热泵运 行 分 析 J.制 冷 与 空 调,2 0 2 2,2 2(5):1 7-2 1.2 李永,崔军艳,冯月霞,等.利用空气源热泵跨季节补热对单 供 暖 地 埋 管 地 源 热 泵 运 行 特 性 影 响 分 析J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1(1 0):8 7-9 0.3 张钦.某培训中心带辅助热源的地埋管地源热泵-太阳能耦合系统设计分析J.制冷与空调,2 0 2 0,2 0(3):6 6-7 1.4 熊建国,张龙爱.空气源热泵型冷热水机组防冻性能试验研究J.制冷与空调,2 0 0 6,6(5):6 1-6 6.5 姬鹏先,郝鸣,张亚东.模块式风冷热泵冷热水机组水流量控制技术研究J.制冷空调电力机械,2 0 0 6,2 7(4):5 6-5 8.6 姬鹏先,张亚东.流量开关在中央空调系统中的应用研究J.流体机械,2 0 0 6,3 4(8):8 4-8 6.7 赵志滨,王培硕,冯熙鹏,等.水环热泵V R V空调系统调试中存在的问题及解决方案J.施工技术,2 0 1 3,4 2:2 9 3-2 9 5.8 黄章星.空调水系统设计问题四则C第1 3届全国暖通 空 调 技 术 信 息 网 技 术 交 流 大 会 文 集.总 第1 7 8期,2 0 0 5-1 0,中国福建厦门:暖通空调 编辑部,2 0 0 5:1 8 0-1 8 2.9 杨丰国,谢峰.水源热泵系统几种故障及解决办法J.制冷与空调,2 0 0 5,5(4):9 9-1 0 1.1 0 吕锦銮,陈瑞武.一种新型水冷机组用水流开关的设计J.家电科技,2 0 1 9(5):1 1 6-1 1 9.1 1 张龙爱,陈忠杰,王传华.空气源热泵冷(热)水机组用干式壳管换热器防冻性能研究J.制冷与空调,2 0 1 2,1 2(5):2 8-3 1+7 2.1 2 苏夺.常用空调水系统的控制方法J.暖通空调,2 0 1 2,4 2(1 1):2 0-2 4.(上接第8 6页)6 结束语文章介绍了大功率变频离心式制冷压缩机异步无速度直接传动控制系统,针对异步直接传动控制系统无速度控制问题,结合负载特性,提出了一种低速虚拟位置给定启动,高速模型参考自适应的无速度控制矢量闭环控制策略,并对相关控制原理进行了阐述,最后,通过试验有效验证了该方案的正确性。文章提出方案为工业领域高速异步直接驱动系统的设计了提供参考,对推动我国工业领域高速异步直接传动系统的发展具有积极的意义。参 考 文 献1 霍小平.中央空调自控系统设计M.北京:中国电力出版社,2 0 0 4:7.2 孙悦,韩明新,任洪波,等.冰蓄冷空调系统优化运行控制策略研究综述J.制冷与空调,2 0 2 0,2 0(1 1):6 9-7 3+7 7.3 邵嵘,谢剑英.冷水机组系统优化控制的设计与实现J.流体机械,2 0 0 4,3 2(8):4 6-4 9.4 冯杏辉,方建安,许红磊,等.基于自适应遗传算法的异步电机矢量控制参数优化与仿真J.机电工程,2 0 1 0,2 7(1 1):1 0 3-1 0 5.5 李永东,李明才.感应电机高性能无速度传感器控制系统 回 顾、现 状 与 展 望 J.电 气 传 动,2 0 0 4,3 4(1):4-1 0.6 喻通,何亚屏,罗冬,等.大功率离心式冷水机组高压高速永磁变频直驱应用研究J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1(1):8 1-8 7.7 YAN G G,CHE N T.A d a p t i v e-s p e e di d e n t i f i c a t i o ns c h e m ef o rav e c t o rc o n t r o l l e ds p e e ds e n s o r l e s si n-v e r t e r-i n d u c t i o n m o t o rd r i v eJ.I E E E T r a n s.I n d.A p p l i.,2 0 0 8,2 9(2):8 2 0-8 2 5.8 B I N D E R A.p o t e n t i a l s f o r e n e r g y s a v i n g w i t hm o d e r nd r i v e t e c h n o l o g yas u r v e yC.I E E EI n t e r-n a t i o n a l S y m p o s i u mo nP o w e rE l e c t r o n i c s,E l e c t r i c a lD r i v e s,A u t o m a t i o na n dM o t i o n,2 0 0 8:9 0-9 5.9 唐勇奇,王辉.无速度传感器矢量控制系统的全数字实现J.电气开关,2 0 0 4,4 2(1):2 0-2 3.1 0 夏超英.交直流传动系统的自适应控制M.北京:机械工业出版社,2 0 0 6:5 5-7 0.