CN103133320B - 基于转矩角控制的空压机变转速调节方法 - Google Patents

Abstract

基于转矩角控制的空压机变转速调节方法，属于空压机节能运行与电机运动控制领域，通过安装在管网或压力罐处的压力变送装置形成压力闭环控制，满足空压机工作时的压力要求；采用通用变频器，对空压机驱动用电励磁同步电机进行转速恒压频比开环调速，通过引入转矩角控制，抑制同步电机的失步与振荡，实现电机稳定运行，保证空压机与并联管网工况需求，实现对空压机变转速调节，进而节能运行；在出现空压机憋气等冲击负载时，灭磁单元进行灭磁切机，增强系统安全可靠性；本发明方法通过引入驱动电机转矩角闭环控制保证电机稳定，实现空压机变转速调节进而节能运行，同时采用通用变频器，降低变转速调节系统的成本，具有很强的使用价值。

Description

基于转矩角控制的空压机变转速调节方法

技术领域

本发明属于空压机节能运行与电机运动控制技术领域，具体涉及一种基于转矩角控制的空压机变转速调节方法。

背景技术

节约能源、安全生产已成为我国目前工业生产中所面临的一项重要课题。空压机作为一种把原动机的机械能转换为工作气体压力能的通用机械，广泛地应用在工业，交通运输等各部门。已成为各部门不可或缺的核心设备，然而由于传统空压机都在全速运行，不仅耗电量大，并且存在大量的浪费现象。同时由于控制动作的频繁，对设备造成不利影响甚至导致设备损坏，危及工作人员的人身安全。所以对空压机进行节能安全控制势在必行。

目前，变频调速技术已广泛应用于对空气压缩机的节能安全控制，针对同步电机驱动的空压机，主要变频方式有以下几种：

1、采用恒压频比控制的它控式变频器的变频调速，这种方法由于是转速开环控制，原动机较易发生失步与振荡现象，对设备及生产安全构成巨大的潜在威胁。

2、采用矢量或直接转矩控制的它控式变频器的变频调速，这种方法虽然有效的抑制了原动机的失步与振荡，但由于在生产过程中要对同步电机本身进行改造，过程复杂，在有些特殊场合几乎不可行。

3、采用自控式变频器或专用变频器的变频调速，这种方法由于其在安装上的困难以及变频器价格的昂贵。在国内诸如风机泵类这些对调速性能要求不高的场合，鲜有使用。

综上可见，现有技术的变频调速方法存在着各自的缺点，因此，发明一种节能廉价可靠的空压机变工况调节控制方法是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术存在的问题，提供一种空压机的恒压变频调速调节控制方法，采用价格相对较低且被广泛使用的通用变频器，控制上采用技术较为成熟的恒压频比控制，通过附加的转矩角闭环控制，确保了同步电机的稳定运行。

基于转矩角控制的空压机变转速调节方法，包括以下步骤：

1)将转矩角测算装置与空压机上的进口流量计以及出口压力计相连接，并与转矩角控制装置相连接，然后转矩角控制装置经电压调节器及电流调节器分别与通用变频器及励磁调节单元相连接；在管网或容器罐中安装压力变送装置，压力变送装置再与PID调节器相连接，构成压力闭环控制系统；

2)启动步骤1)，将被测压力值经压力变送装置送到PID调节器中与给定压力值相比较，所得偏差经PID调节器处理后，得到电压信号U₁，将电压信号U₁送至电压调节器中，电压调节器调用预存的同步电机本身的U^*/f^*特性曲线，锁定与U₁匹配的特性曲线，并将其转化为相应的“占空比/频率”曲线，然后将该曲线信号送通用变频器，提供所需的电压，控制同步电机转速，从而改变气体流量，既而改变管网或容器罐中的压力值，维持压力恒定；

3)在步骤2)执行的过程中，空压机上的进口流量计以及出口压力计将各自测量得到的Q_a与P_c送给转矩角测算装置，转矩角测算装置通过调用空压机特性曲线模型P_c＝f(n，Q_a)，得出空压机转速n；

4)根据步骤3)中得到的转速n，转矩角测算装置再调用速度传感器模型，得出与转速n相对应的感应电动势E_c，感应电动势E_c经波形变换与分频后，生成与端电压等频的正弦波两者通过比相处理后，得到角θ，最后通过角度变换得到转矩角δ；

5)根据步骤4)中测算得出的转矩角δ，经过转矩角控制装置计算出转矩角偏差以及与转矩角相匹配的电压值分别送给电流调节器和电压调节器，然后将由调节器得来的信号分别送给励磁调节单元和通用变频器，从而控制转矩角的恒定，抑制冲击负载所带来的同步电机失步与振荡或抑制其它扰动所带来的同步电机失步与振荡。

步骤5)中所述的转矩角控制装置的控制方法包括以下步骤：

步骤一，首先判断测算得来的转矩角δ与给定值δ₀是否相等，如果两者相等，继续循环判断，如果两者不相等，继而判断转矩角δ是否小于给定值δ₀，如果转矩角δ小于给定值δ₀，则将转矩角偏差Δδ送给电流调节器，经计算可得出需要调节的励磁电流ΔI_f，将ΔI_f送至励磁调节单元，继而控制励磁功率单元来减小励磁电流，消除偏差，返回继续执行；否则需判断dδ/dt≤F是否成立；

步骤二，如果步骤一中所述的dδ/dt≤F，式子成立，则将Δδ给电流调节器，经计算可得出需要调节的励磁电流ΔI_f，将ΔI_f送至励磁调节单元，继而控制励磁功率单元增加励磁电流，消除偏差，返回继续执行；否则，继续d²δ/dt²<0是否成立；

步骤三，在步骤二中所述的d²δ/dt²<0，式子成立，则将转矩角控制装置输出信号给强励单元，控制励磁功率单元进行瞬时强励，提高过载能力，返回继续执行；否则判断δ<180°是否成立；

步骤四，在步骤三中所述的δ<180°，式子成立，将与转矩角δ对应的电压U₂送至电压调节器，在电压调节器中预置U₂的优先级高于U₁，则在电压调节器中调用同步电机本身的U^*/f^*特性曲线，转化为相应的“占空比/频率”曲线，然后将该曲线信号送到通用变频器，使电压跟踪转速变化，从而保证旋转磁场与转速之间的严格同步；否则，将转矩角控制装置输出信号给灭磁单元，控制励磁功率单元进行灭磁切机。

本发明的有益效果是：首先，通过对转矩角进行闭环直接控制，有效的抑制了采用通用变频器时同步电机的失步与振荡。实现了同步电机的稳定运行控制，保证了空压机与并联管网的工况满足需求。通过对转矩角的检测判断及控制，可实现在出现诸如空压机憋气等永久性冲击负载时，采用灭磁单元进行灭磁切机，进一步增强了系统的安全可靠性；其次，通过把空压机的进口气体流量与出口气体压力，输入到转矩角测算装置，计算出转矩角，进而通过转矩角控制装置进行控制，克服了采用矢量或直接转矩控制时，要对同步电机本身进行改造的复杂与不便的弊端；最后，通过采用通用变频器解决空压机驱动电机变转速运行，相比采用自控式变频器或专用变频器节省了成本。

附图说明

图1是实现本发明方法的装置整体结构关系框图。

图2是本发明方法中所述同步电机转矩角测算装置的测算方法框图。

图3是本发明方法中所述转矩角控制装置的控制方法框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

基于转矩角控制的空压机转速调节方法，具体步骤如下：

如图1所示，1)将转矩角测算装置与空压机进口流量计以及出口压力计相连接，并与转矩角控制装置相连接，然后转矩角控制装置经电压调节器及电流调节器分别与通用变频器及励磁调节单元相连接。在管网或容器罐中安装压力变送装置，压力变送装置再与PID调节器相连接，构成压力闭环控制系统。

2)启动步骤1)，将被测压力值经压力变送装置送到PID调节器中与给定压力值相比较，所得偏差经PID调节器处理后，得到电压信号U₁，将电压信号U₁送至电压调节器中，电压调节器调用预存的同步电机本身的U^*/f^*特性曲线，锁定与U₁匹配的特性曲线，并将其转化为相应的“占空比/频率”曲线，然后将该曲线信号送给通用变频器，提供所需的电压，控制同步电机转速，从而改变气体流量，既而改变管网或容器罐中的压力值，维持压力恒定。

如图2所示，3)在步骤2)执行的过程中，空压机上的进口流量计以及出口压力计将各自测量得到的Q_a与P_c送给转矩角测算装置，转矩角测算装置通过调用空压机特性曲线模型P_c＝f(n，Q_a)，得出空压机转速n。

所述的空压机特性曲线P_c＝f(n，Q_a)，可以通过计算方法如逐级计算法，全三元流计算法等来获取，或者通过试验的方法获取。这里采用的是全三元流计算法来获取，得到空压机转速与空压机进口气体流量以及出口压力的模型，再利用测量来的Q_a与P_c，便可以从模型曲线上获取空压机转速n。由于空压机采用同步电机驱动，从而获得同步电机转速n。

4)根据步骤3)中得到的转速n，转矩角测算装置再调用速度传感器模型，得出与转速n相对应的感应电动势E_c，感应电动势E_c经波形变换与分频后，生成与端电压等频的正弦波两者通过比相处理后得到角θ，最后通过角度变换得到转矩角δ；

获得所述感应电动势E_c的方法，以接触式速度传感器为例说明，该型传感器主要由磁阻传感器、测速齿轮和电压频率转换器组成。在测速支架上装有磁阻传感器，并在同步电机转子主轴上安装测速齿轮，当测速齿轮随主轴转动时，由于测速齿轮与磁阻传感器之间的间隙发生变化，继而引起磁阻传感器线圈的磁通变化，线圈中就感应出交变感应电动势E_c，并且该感应电动势E_c波形接近理想的正弦波。通过试验，可以得出n与E_c的对应曲线。

所述角θ是通过与经比相获取的，当同步电机正常运行时，与频率相同，很容易获取夹角θ。系统发生振荡时，角θ可通过以下方程来获取：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)={\mathrm{\&omega;}}_{0}t\\ \mathrm{\&beta;}\left(t\right)={\&Integral;}_0^t\mathrm{\&omega;}\left(t\right)\mathrm{dt}\\ \mathrm{\&theta;}\left(t\right)={\mathrm{\&theta;}}_0+\mathrm{\&beta;}\left(t\right)-\mathrm{\&alpha;}\left(t\right)\end{array}\right.$

其中，α(t)为的旋转角度，β(t)为的旋转角，θ₀为初始时刻与的夹角。

5)根据步骤4)中测算得出的转矩角δ，经过转矩角控制装置计算出转矩角偏差以及与转矩角相匹配的电压值分别送给电流调节器和电压调节器，然后将由调节得来的信号分别送给励磁调节单元和通用变频器，从而控制转矩角的恒定，抑制冲击负载所带来的同步电机失步与振荡或抑制其它扰动所带来的同步电机失步与振荡。

如图3所示，步骤5)中所述转矩角控制装置的控制方法包括以下步骤：

步骤一，首先判断测算得来的转矩角δ与给定值δ₀是否相等：如果相等，继续循环判断；如果两者不相等，继而判断转矩角δ是否小于给定值δ₀。如果转矩角δ小于给定值δ₀，则将转矩角偏差Δδ送给电流调节器，经计算可得出需要调节的励磁电流ΔI_f，将ΔI_f送至励磁调节单元，继而控制励磁功率单元来减小励磁电流，消除偏差，返回继续执行；否则需判断dδ/dt是否小于等于转矩角一阶导的给定值F，即判断dδ/dt≤F是否成立。

步骤二，如果步骤一中所述的dδ/dt≤F式子成立，则将Δδ给电流调节器，经计算可得出需要调节的励磁电流ΔI_f，将ΔI_f送至励磁调节单元，继而控制励磁功率单元增加励磁电流，消除偏差，返回继续执行；否则，继续判断转矩角二阶导d²δ/dt²是否小于零，即判断d²δ/dt²<0是否成立。

步骤三，在步骤二中所述的d²δ/dt²<0式子成立，则将转矩角控制装置输出信号给强励单元，控制励磁功率单元进行瞬时强励，提高过载能力，返回继续执行；否则判断转矩角δ是否小于180°，即判断δ<180°是否成立；

步骤四，在步骤三中所述的δ<180°式子成立，将与转矩角δ对应的电压U₂送至电压调节器，在电压调节器中预置U₂的优先级高于U₁，则在电压调节器中调用同步电机本身的U^*/f^*特性曲线，转化为相应的“占空比/频率”曲线，然后将该曲线信号送通用变频器，使电压跟踪转速变化，从而保证旋转磁场与转速之间的严格同步；否则，将转矩角控制装置输出信号给灭磁单元，控制励磁功率单元进行灭磁切机。

本发明在空压机变转速调节中，对驱动同步电机采用通用变频器进行转速开环恒压频比控制，并附加转矩角闭环控制，实现了空压机的节能安全生产，又降低了变频成本，简化了工艺。使空压机变转速调节系统真正拥有了节能显著、运行稳定及成本低廉等诸多优点。

Claims (2)

1.基于转矩角控制的空压机变转速调节方法，其特征是，包括以下步骤：

1)将转矩角测算装置与空压机上的进口流量计以及出口压力计相连接，并与转矩角控制装置相连接，然后转矩角控制装置经电压调节器及电流调节器分别与通用变频器及励磁调节单元相连接，在管网或容器罐中安装压力变送装置，压力变送装置再与PID调节器相连接，构成压力闭环控制系统；

2)启动步骤1)，将被测压力值经压力变送装置送到PID调节器中与给定压力值相比较，所得偏差经PID调节器处理后，得到电压信号U₁，将电压信号U₁送至电压调节器中，电压调节器调用预存的同步电机本身的U^*/f^*特性曲线，锁定与U₁匹配的特性曲线，并将其转化为相应的“占空比/频率”曲线，然后将该曲线信号送给通用变频器，提供所需的电压，控制同步电机转速，从而改变气体流量，既而改变管网或容器罐中的压力值，维持压力恒定；

3)在步骤2)执行的过程中，空压机上的进口流量计以及出口压力计将各自测量得到的Q_a与P_c送给转矩角测算装置，转矩角测算装置通过调用空压机特性曲线模型P_c＝f(n，Q_a)，得出空压机转速n；

4)根据步骤3)中得到的转速n，转矩角测算装置再调用速度传感器模型，得出与转速n相对应的感应电动势E_c，感应电动势E_c经波形变换与分频后，生成与端电压等频的正弦波两者通过比相处理后，得到角θ，最后通过角度变换得到转矩角δ；

5)根据步骤4)中测算得出的转矩角δ，经过转矩角控制装置计算出转矩角偏差以及与转矩角相匹配的电压值分别送给电流调节器和电压调节器，然后将由调节器得来的信号分别送给励磁调节单元和通用变频器，从而控制转矩角的恒定，抑制冲击负载所带来的同步电机失步与振荡或抑制其它扰动所带来的同步电机失步与振荡。

2.根据权利要求1所述的基于转矩角控制的空压机变转速调节方法，其特征在于，步骤5)中所述的转矩角控制装置的控制方法包括以下步骤：

步骤一，首先判断测算得来的转矩角δ与给定值δ₀是否相等，如果两者相等，继续循环判断，如果两者不相等，继而判断转矩角δ是否小于给定值δ₀，如果转矩角δ小于给定值δ₀，则将转矩角偏差Δδ送给电流调节器，经计算可得出需要调节的励磁电流ΔI_f，将ΔI_f送至励磁调节单元，继而控制励磁功率单元来减小励磁电流，消除偏差，返回继续执行；否则需判断dδ/dt≤F是否成立；

步骤二，如果步骤一中所述的dδ/dt≤F，式子成立，则将Δδ给电流调节器，经计算可得出需要调节的励磁电流ΔI_f，将ΔI_f送至励磁调节单元，继而控制励磁功率单元增加励磁电流，消除偏差，返回继续执行；否则，继续判断d²δ/dt²<0是否成立；

步骤三，在步骤二中所述的d²δ/dt²<0，式子成立，则将转矩角控制装置输出信号给强励单元，控制励磁功率单元进行瞬时强励，提高过载能力，返回继续执行；否则判断δ<180°是否成立；

步骤四，在步骤三中所述的δ<180°，式子成立，将与转矩角δ对应的电压U₂送至电压调节器，在电压调节器中预置U₂的优先级高于U₁，则在电压调节器中调用同步电机本身的U^*/f^*特性曲线，转化为相应的“占空比/频率”曲线，然后将该曲线信号送到通用变频器，使电压跟踪转速变化，从而保证旋转磁场与转速之间的严格同步；否则，将转矩角控制装置输出信号给灭磁单元，控制励磁功率单元进行灭磁切机。