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
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1、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
2、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
3、 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 d
4、s 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
5、 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
6、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
7、 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
8、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
9、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,
10、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
11、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
12、 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
13、(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
14、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
15、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
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