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摘 要 压缩机是国民经济各个部门中的重要通用机械，其是工厂的耗电大户。要实现压缩机的经济运行，必须要控制压缩机的变工况，这就需要对压缩机进行准确而有效的调节。电机拖动的空气压缩机常采用节流调节（入口节流和出口节流）和变压缩机元件调节两种调节方式，对于节流调节来说，存在着大量的能源浪费，而且调节性能也不太理想，特别是在空分系统变工况运行时，能源浪费更为严重，还有发生喘振的危险。文章采用SVPWM脉宽调制技术实现同步电动机变频调速，实现了空压机节能优化控制。
关键词 SVPWM；离心压缩机
中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0044-02
1 调研分析现状
通过对某厂空分装置的现场调研，发现空分离心式压缩机存在以下问题。
1）能源浪费严重。
2）调节方式落后。
3）设备陈旧、故障率高。
4）喘振发生率高。
本文的分析对象为某公司化肥厂空分装置中的离心式压缩机，就调研分析的情况进行优化节能控制研究。具体内容如下。
1）变工况调节原理及调节方式的选择。
2）离心压缩机性能控制器的仿真研究。
3）压缩机中电励磁同步电机矢量控制系统的仿真研究。
2 空气压缩机控制器的测试研究
在空分分离装置中，空气压缩机的运行方式是联合运行的，因此在控制器的设计过程中就不能只考虑单个设备的特性，必须将压缩机和其他管网作为一个整体进行分析。压缩机恒压力控制系统如图1所示。系统的组成主要由性能控制子装置和矢量控制子装置。比较系统中实际压力与给定值压力的压差，经性能控制器运算得到控制信号，输出给内环矢量控制调速系统，经调制、运算得到逆变器的输出频率，从而控制同步电机的转速，以实时调节外界的工况变化。
图1 压缩机恒压力控制系统框图
某公司6#空分采用6 kV同步电动机拖动，按照国内的标准，属于大电压电机。就目前从节能与调速效果来看变频调速是使用最为广泛的一种。就现在的情况来看，SVPWM得到了广泛的应用，它的优点是：控制算法简单、数字化等。矢量控制技术是最为常用的一种，其性能可以同直流电机相媲美。矢量控制将定子电流在空间上分解成相互独立的励磁电流和转矩电流，控制难度得以简化，控制效果表现的比较好。
2.1 压缩机建模分析
精确的数字模型因系统的复杂性而很难建立，所以我们也只能将相近的模型进行分析。依据压缩机系统的运行特性我们可以知道，开始的状态时恒压系统，主要是由两部分组成：一是压力上升过程，二是恒压过程。矢量控制调速系统和同步电机可近似等效为时间变量为常数的一阶惯性环节。经过以上分析，将纯滞后的两个惯性环节串联便可组成压缩机的数学模型，用式（1）表示。
（>） （1）
式中，K为控制器总增益；T1系统的惯性时间常数；T2为调速系统和电机时间常数；τ为纯滞后时间。
2.2 PID控制器的设计
本文中选择K=22，T1=10，T2=1，τ=4，则近似模型为：
（2）
利用Ziegler-Nichols法整定PID控制器中参数。首先在Simulink环境中建立系统的Simulink模型，如图2所示，“Kp”为比例环节，“1/Ti”为积分时间常数，“tou”为微分时间常数。利用Ziegler-Nichols法整定控制器参数，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。
图2 Simulink模型
参数整定后，分别令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，进行MATLAB仿真，仿真结果如图3（a）、（b）所示。
（a）无扰动时 （b）有扰动时
图3 普通PID控制响应曲线
图3（a）为未加入扰动时的单位阶跃响应曲线，图3（b）为在第80 s处加入单位阶跃扰动信号时的单位阶跃响应曲线。通过数据图形对比可以看出，PID控制存在超调量大、调节时间长和抗扰动性能差等缺点。
未加扰动时，系统稳定度不够，存在较大超调，调节时间较长为32 s。加入扰动时系统的性能变的很坏，产生了很大的振荡。整个系统经过约50 s才恢复到稳定状态。
3 矢量控制系统仿真
使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系统，对所建立的同步电机矢量控制系统的空载启动和负载突变进行仿真实验。
3.1 空载启动实验
速度在仿真前先归为零，这样电动机就可以创建磁场。在时间t等于零点一秒的时候，加入斜坡速度信号。电机经过10 s的加速就会达到额定转速。图4（a）为励磁电流波形，在前零点一秒励磁电流建立磁场。一旦斜坡信号增强，励磁电流开始增大，电动机逐渐加速。当转速达到额定值，励磁电流恢复到空载值。
（a）励磁电流 （b）电机转速
图4 空载启动
3.2 负载突变实验
在进行仿真运作之前的1.6 s，电机就开始启动。当t=1.6 s的时候，这时的系统相对来说比较稳定。负载转矩就会突然增加0.2。负载转矩的猛然增加导致电动机转速降低，同时速度调节器也会上调输出，为了保证气隙磁链的平衡值得加强励磁电流，见图5（a）。负载的突然变化导致了转子转速接近百分之零点一的降低，然后再过大约0.4 s变趋近稳定状态，转速变化曲线见图5（b）。
（a）励磁电流 （b）电机转速
图5 突加负载
仿真效果良好，符合系统设定调速要求，可以为其他系统的电机控制设计提供一定的理论参考。
4 结论
本文分析了变工况运行带来的附加损失和控制性能对系统能耗的影响，指出大型离心压缩机要尽量工作在设计工况点，由于生产需要而进行变工况调节时，需要系统能稳定在要求工作点，这不仅是生产的需要，同时工作点的稳定也能够显著地降低能耗。仿真结果显示，传统的PID控制，不利于整个压缩机系统的节能降耗。
参考文献
[1]徐福根，万建余，王立.空分设备变负荷调节主要参数的关系及计算[J].深冷技术，2006（04）：39-42.
关键词 SVPWM；离心压缩机
中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0044-02
1 调研分析现状
通过对某厂空分装置的现场调研，发现空分离心式压缩机存在以下问题。
1）能源浪费严重。
2）调节方式落后。
3）设备陈旧、故障率高。
4）喘振发生率高。
本文的分析对象为某公司化肥厂空分装置中的离心式压缩机，就调研分析的情况进行优化节能控制研究。具体内容如下。
1）变工况调节原理及调节方式的选择。
2）离心压缩机性能控制器的仿真研究。
3）压缩机中电励磁同步电机矢量控制系统的仿真研究。
2 空气压缩机控制器的测试研究
在空分分离装置中，空气压缩机的运行方式是联合运行的，因此在控制器的设计过程中就不能只考虑单个设备的特性，必须将压缩机和其他管网作为一个整体进行分析。压缩机恒压力控制系统如图1所示。系统的组成主要由性能控制子装置和矢量控制子装置。比较系统中实际压力与给定值压力的压差，经性能控制器运算得到控制信号，输出给内环矢量控制调速系统，经调制、运算得到逆变器的输出频率，从而控制同步电机的转速，以实时调节外界的工况变化。
图1 压缩机恒压力控制系统框图
某公司6#空分采用6 kV同步电动机拖动，按照国内的标准，属于大电压电机。就目前从节能与调速效果来看变频调速是使用最为广泛的一种。就现在的情况来看，SVPWM得到了广泛的应用，它的优点是：控制算法简单、数字化等。矢量控制技术是最为常用的一种，其性能可以同直流电机相媲美。矢量控制将定子电流在空间上分解成相互独立的励磁电流和转矩电流，控制难度得以简化，控制效果表现的比较好。
2.1 压缩机建模分析
精确的数字模型因系统的复杂性而很难建立，所以我们也只能将相近的模型进行分析。依据压缩机系统的运行特性我们可以知道，开始的状态时恒压系统，主要是由两部分组成：一是压力上升过程，二是恒压过程。矢量控制调速系统和同步电机可近似等效为时间变量为常数的一阶惯性环节。经过以上分析，将纯滞后的两个惯性环节串联便可组成压缩机的数学模型，用式（1）表示。
（>） （1）
式中，K为控制器总增益；T1系统的惯性时间常数；T2为调速系统和电机时间常数；τ为纯滞后时间。
2.2 PID控制器的设计
本文中选择K=22，T1=10，T2=1，τ=4，则近似模型为：
（2）
利用Ziegler-Nichols法整定PID控制器中参数。首先在Simulink环境中建立系统的Simulink模型，如图2所示，“Kp”为比例环节，“1/Ti”为积分时间常数，“tou”为微分时间常数。利用Ziegler-Nichols法整定控制器参数，可得Kp=0.080，Ti=145，tou=0.2。
图2 Simulink模型
参数整定后，分别令Kp=0.080，1/Ti=1/145，tou=0.2，进行MATLAB仿真，仿真结果如图3（a）、（b）所示。
（a）无扰动时 （b）有扰动时
图3 普通PID控制响应曲线
图3（a）为未加入扰动时的单位阶跃响应曲线，图3（b）为在第80 s处加入单位阶跃扰动信号时的单位阶跃响应曲线。通过数据图形对比可以看出，PID控制存在超调量大、调节时间长和抗扰动性能差等缺点。
未加扰动时，系统稳定度不够，存在较大超调，调节时间较长为32 s。加入扰动时系统的性能变的很坏，产生了很大的振荡。整个系统经过约50 s才恢复到稳定状态。
3 矢量控制系统仿真
使用MATLAB/Simulink中SimPowerSystem工具箱建立仿真系统，对所建立的同步电机矢量控制系统的空载启动和负载突变进行仿真实验。
3.1 空载启动实验
速度在仿真前先归为零，这样电动机就可以创建磁场。在时间t等于零点一秒的时候，加入斜坡速度信号。电机经过10 s的加速就会达到额定转速。图4（a）为励磁电流波形，在前零点一秒励磁电流建立磁场。一旦斜坡信号增强，励磁电流开始增大，电动机逐渐加速。当转速达到额定值，励磁电流恢复到空载值。
（a）励磁电流 （b）电机转速
图4 空载启动
3.2 负载突变实验
在进行仿真运作之前的1.6 s，电机就开始启动。当t=1.6 s的时候，这时的系统相对来说比较稳定。负载转矩就会突然增加0.2。负载转矩的猛然增加导致电动机转速降低，同时速度调节器也会上调输出，为了保证气隙磁链的平衡值得加强励磁电流，见图5（a）。负载的突然变化导致了转子转速接近百分之零点一的降低，然后再过大约0.4 s变趋近稳定状态，转速变化曲线见图5（b）。
（a）励磁电流 （b）电机转速
图5 突加负载
仿真效果良好，符合系统设定调速要求，可以为其他系统的电机控制设计提供一定的理论参考。
4 结论
本文分析了变工况运行带来的附加损失和控制性能对系统能耗的影响，指出大型离心压缩机要尽量工作在设计工况点，由于生产需要而进行变工况调节时，需要系统能稳定在要求工作点，这不仅是生产的需要，同时工作点的稳定也能够显著地降低能耗。仿真结果显示，传统的PID控制，不利于整个压缩机系统的节能降耗。
参考文献
[1]徐福根，万建余，王立.空分设备变负荷调节主要参数的关系及计算[J].深冷技术，2006（04）：39-42.