矢量控制在电机振动方面的应用

夏侯斐

（中电投江西电力有限公司新昌发电分公司，江西 南昌 330117）

0 引言

交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，因而其控制相当复杂[1]。在工业应用中，高压电机出现异常振动导致系统停运与设备损坏的事故频发。传统的变压变频调速变频器不对输出的电压、电流进行闭环控制，易造成电机异常振动；而矢量控制又称为磁场定向控制，它通过对电机参数的设置建立电机模型，在运行中通过对电压、电流的控制使电机对负载的响应达到最佳。在矢量控制时变频器会根据电机需要的转矩提供合适的输出，这使得在负载波动时电机的运行更加平稳[2]。在我厂实际应用中，增压风机增设变频器后振动异常，在使用矢量控制方式后得到了很好的减震效果。

1 背景与概述

中电投江西电力有限公司新昌发电分公司一期工程为2×660 MW机组，锅炉制造厂为东方锅炉，单台锅炉配2台静叶可调式轴流增压风机，电机选用上海电机厂YKK900-14 型，额定容量2 100 KW，额定电流273 A。因增压风机设计选型容量裕度较大，于2013年进行了增压风机增设变频器改造，增压风机由工频运行改为变频控制运行。在变频器调试过程中，空载带电机运行正常，带风机负载运行时在20～40 Hz范围内出现异常振动。

2 振动原因分析及措施

2.1 振动因素分析

变频器采用变频变压调速方式（VVVF 控制方式）进行试运，电机振动测试结果典型代表数据分别为：在振动范围20～42 Hz，最大振动位移10 丝；在振动范围25～35 Hz，最大振动位移8 丝，振动大主要分布在25～35 Hz，最大振点在30 Hz附近，并且30 Hz时电机振动大但风机振动不大，分析振动原因是机械共振。

2.2 措施分析

振动原因为机械共振，可采取以下处理处理：1）加固电机基础；2）加强风道强度；3）调试矢量控制并屏蔽振动频率段。在上述方案中调试矢量控制最易实施，实施成本也最低，所以首先对此方案进行了试验。

3 矢量控制方式前后的试验数据对比

经过矢量控制的调试后，分别对A、B 增压风机进行了带风机运行试验。试验分4个步骤：1）变频器矢量控制拖动A增压风机单独运行。（表1）2）变频器矢量控制拖动B增压风机单独运行。（表2）3）变频器矢量控制拖动A、B增压风机同时运行。（表3、4）4）变频器VVVF控制拖动A、B增压风机同时运行。（表5）

试验数据节选如下：

表1 单增压风机A矢量控制下振动情况

表2 单增压风机B矢量控制下振动情况

表3 双增压风机A矢量控制下振动情况

表4 双增压风机B矢量控制下振动情况

表5 双增压风机VVVF控制模式下的振动情况

通过试验在采用矢量控制方式运行后，电机的振动有显著下降，在VVVF控制时振动最大的30 Hz，在采用矢量控制后基本和其它频率振动相同，仅在测量时感觉电机基础振动大于其它频率段；为验证是否是矢量控制带来的减震效果，在最后的测试中我们将变频器的控制方式改回VVVF控制方式，此时再次测试电机的振动其振动值是矢量控制的10 倍，这证明了矢量控制在抑制振动上的作用，通过这次试验可以认为，变频器采用矢量控制时可以直接带风机全频段运行，不用对频率段进行屏蔽。

同时，从变频器输出波形可以看到，矢量控制时电流波形不再发生畸变，这与电机振动的减小是同步的，这是因为矢量控制对电流的闭环控制，使得它可以在一定范围内对电流的幅值及波形进行控制，其控制的结果就是电流的失真和波动会减小。

图1 VVVF控制时30Hz电压及电流波形

图2 矢量控制时30Hz电压及电流波形

通过对三次不同数据的分析我们发现，风机运行在振动区间（30 Hz附近）的时间越长，其振动幅值越大。这种现象与VVVF 控制方式的特点有关。在VVVF 控制方式下，变频器并不对输出的电压、电流进行闭环控制，但如果改变频率的同时不改变电压又会使电机的磁通饱和，为保证电机的磁通恒定，VVVF控制将电压与频率按一定比例同时调整，这种调整属于简单控制而没有对电机的实际运行情况进行检测。因此，在这次振动问题中，因机械振动使得电机需要的转矩不停的波动，而VVVF控制下不会对此种波动进行响应，而是按固定的转矩输出，此时就出现了当电机需要大转矩时，变频器转矩不够；当电机需要小转矩时，变频器转矩过大；这样就会使电机的振动越来越大，同时变频器的输出电流也表现为忽大忽小，严重时出现不正弦的畸变[3]。从测量结果看，就是在30 Hz 运行时间越长，振动幅值和范围就越大。

4 结论

矢量控制通过对电机参数的设置建立电机模型，在运行中通过对电压、电流的控制使电机对负载的响应达到最佳。在矢量控制时变频器会根据电机需要的转矩提供合适的输出，这使得在负载波动时电机的运行更加平稳。因此在电机本身的振动并不是非常剧烈时，在使用矢量控制后可以得到改善振动的效果。

[1]李永冬.交流电机数学控制系统[M].北京：机械工业出版社.2002年.

[2]符曦.感应电动机矢量控制及应用[M].北京：机械工业出版社，1995年.

[3]李华德.交流控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003年