离散变频技术在石油天然气站异步电机中的应用

丁 勇

（中国石油天然气管道工程有限公司，沈阳110000）

在石油天然气站的应用中，如果对异步电机施加额定电压使电机起动，会加大异步电机承受的电流冲击，减少异步电机的使用寿命，还会影响石油天然气站其他设备的正常工作[1-2]。如果将降压起动装置应用到石油天然气站异步电机中，虽然可以抑制异步电机的起动电流，但是电机的电压下降会使异步电机的起动转矩也随着下降，无法实现异步电机的重载起动[3]。如果将变频器应用到石油天然气站异步电机中，即使可以满足异步电机的性能要求，但是由于变频器的价格昂贵，会造成石油天然气站的投入成本变大，直接影响石油天然气站的经济效益，同时，上述2 种技术没有有效改善异步电机转速易受电磁干扰限制的问题[4]。

基于以上背景，本文将离散变频技术应用到石油天然气站异步电机中。离散变频技术是现代电子通信、雷达等系统应用的关键技术，离散变频作为微波光子学在变频信号的处理方面具有重要作用，可以有效解决石油天然气站异步电机存在的瓶颈。离散变频技术一般采用双绕组变频装置，克服了异步电机转速的限制，同时具有较高的传输容量以及抗电磁干扰等优势。有效提高了石油天然气站异步电机的转速，实现异步电机的重载起动。

1 石油天然气站异步电机的离散变频技术设计

1.1 分析异步电机的离散变频相序

为了提高石油天然气站异步电机的转速，在分析石油天然气站异步电机的离散变频相序之前，先选取异步电机的最低频段，选择的离散频率越低，异步电机包含的工频半周数目就会越多，不仅增加了异步电机控制程序的复杂程度，还延长了异步电机的起动时长[5]。因此在选择异步电机的最低频率时，主要考虑异步电机在低频段下是否具有足够大起动转矩和足够小的起动电流，石油天然气站异步电机在满足转矩和电流2 个条件的情况下，则可以进行离散变频相序的分析。

异步电机的离散变频原理即有选择性地控制异步电机工频电源半波的通断，从而实现离散变频相序的分析[6]。图1 为石油天然气站异步电机四分频触发方式。

图1 石油天然气站异步电机四分频触发方式示意图Fig.1 Schematic diagram of the four-frequency trigger method of asynchronous motors in oil and gas stations

由图1 可知，石油天然气站异步电机每一个工频周期都是由2 个半波组成的，经过离散变频后，异步电机零相位点的位置点数为

式中：r 表示异步电机的分频数。离散变频结束后，异步电机基波信号的零点就是原信号的零点，根据式（1）可以确定异步电机每一个分频所对应的的基波数[7]。异步电机经过离散变频后，异步电机原始半周波的相位角只有如果异步电机二分频为90°，那么可以得到异步电机变频波形互差相等的角度为

设异步电机原工频信号的最初相位角为0°，那么异步电机在离散变频下波形的初相位φr为

式中：k 表示工频信号相位幅值。假设异步电机原工频电源的角速度为ω，那么经过离散变频后，异步电机的基波角速度为ωr，对异步电机进行离散变频后，三相对称电压可以表示为

式中：U 表示三相电压谐波；t 表示相位角个数。异步电机经过离散变频后，b 相零点对应原工频B 相在时间领域内的某一个点，那么B 相经过零点时，应该满足：

由此可见，如果异步电机的分频数目等于4、7、10、13 时，经过离散变频后，可以得到对称的供电电源[8]。同理，可以推断出异步电机供电电源的分频数为

利用石油天然气站异步电机的四分频触发方式，得到异步电机变频波形互差相等的角度，对异步电机进行离散变频处理后，推断出异步电机供电电源的分频数，完成了石油天然气站异步电机的离散变频相序分析[9]；接下来通过计算石油天然气站异步电机的起动转矩，来实现石油天然气站异步电机的离散变频。

1.2 计算石油天然气站异步电机的起动转矩

将降压起动装置和变频器运用到石油天然气站异步电机中，受到限流恒压驱动和起动电压的影响，起动限流加大会使电机发热，从而降低了电机的运行速度。因此本文通过石油天然气站异步电机在正序电压和负序电压下的等效电路，来求得异步电机的起动转矩，从而提高石油天然气站异步电机的转速[10]。当正序电压和负序电压作用到石油天然气站的异步电机上时，异步电机的等效电路如图2所示。

图2 石油天然气站异步电机的等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of asynchronous motor in oil and gas station

在等效电路图中，R1、X1σ分别表示异步电机定子的电阻和电抗，R2′、X2σ′分别表示异步电机转子的电阻和电抗，Rm、Xm分别表示励磁电阻和电抗，s 表示离散变频的转差率。运用设计的电路能够使电机电流特性曲线变得更加陡直，使电流峰值很快达到饱和状态，得到稳态的电流值，增加电机绕组的有效电流，使电机的无功损耗降低，从而有效抑制电磁干扰的影响，达到提高运行速度的目的。

石油天然气站异步电机在离散变频起动过程中，离散变频电压相序中不存在对称正序的分频段[11]，因此必须将异步电机中的基波电压分解成相应的正、负序分量。计算石油天然气站异步电机的起动转矩时，需要综合考虑正、负序分量产生的转矩[12]。

当电压的正序分量作用于异步电机时，异步电机产生的正序阻抗总值Z+为

式中：j 表示电导率。根据欧姆定律可以计算出异步电机定子电流和转子电流分别为

式中：U1+表示导体两端的电压。

由于异步电机励磁电流相对于定子和转子的电流比较小，通常情况下可以忽略不计[13]，根据异步电机转矩计算公式，可以计算出异步电机正序电压产生的正电磁转矩为

式中：np表示石油天然气站异步电机的极对数；f 表示异步电机供电电源的工作频率。

当电压的负序分量作用于异步电机时，异步电机产生的负序阻抗总值Z-为

根据欧姆定律，得到异步电机定子电流和转子电流分别为

利用异步电机转矩计算公式，计算得到异步电机负序电压产生的负电磁转矩为

在没有对称正序组合的离散变频技术下，异步电机产生的总转矩为

石油天然气站的异步电机在起动时，将转差率s＝1 代入到式（11）和式（15）中[14-15]，可以计算得到异步电机的起动转矩为

综上所述，基于石油天然气站异步电机的等效电路分析，分别考虑正、负序分量产生的转矩，计算了异步电机产生的正、负序阻抗总值，结合欧姆定律计算了异步电机定子电流和转子电流，最后通过异步电机正、负序电压产生的正、负电磁转矩，完成石油天然气站异步电机的起动转矩计算，实现了石油天然气站异步电机的离散变频。

图3 仿真实验模型Fig.3 Simulation experiment model

2 仿真实验分析

为了对比分析降压起动装置在异步电机中的应用效果、变频器在异步电机中的应用效果和本文设计离散变频技术在石油天然气站异步电机中的应用效果，设置不同的电磁干扰条件，进行仿真实验分析。

2.1 构建仿真模型

为了有效对比不同方法下石油天然气站异步电机的离散变频性能，搭建了仿真模型，如图3 所示。

2.2 仿真实验流程

实验测试的完整性是实现石油天然气站异步电机稳定工作的前提，实验具体实施流程如下：

步骤1：仿真程序初始化

仿真程序初始化包括异步电机离散变频各个模块的初始化，程序初始化流程如图4 所示。

步骤2：检测仿真程序

在起动异步电机之前，对仿真程序可能存在的各种故障进行检测，如果仿真程序存在故障，立即处理故障，如果没有故障则等待异步电机起动指令。

步骤3：选择异步电机的起动方式

仿真程序接收到电机起动指令后，选择合适的起动方式，仿真程序所提供的电机起动方式有离散变频软起动方式、电流限制起动方式等。

步骤4：判断异步电机的运行状态

图4 初始化流程Fig.4 Initialization flow chart

异步电机起动完成后，分别将降压起动技术、变频器技术和提出的离散变频技术载入到仿真程序中，给异步电机施加相同的频率。

步骤5：记录实验结果

当给异步电机施加频率的同时，记录正常状态下（无电磁干扰）异步电机的转速，根据异步电机转速与频率的关系，绘制石油天然气站异步电机转速对比曲线。

当给异步电机施加频率的同时，分别记录电磁干扰强度较大时和干扰强度较小时的异步电机转速，绘制石油天然气站异步电机转速对比曲线。

2.3 实验结果分析

利用上述的仿真模型和流程，得到了石油天然气站异步电机转速对比曲线，如图5 所示。

图5 石油天然气站异步电机转速对比曲线Fig.5 Comparison curve of asynchronous motor speed of oil and gas station

分析图5（a）可以看出，在无电磁干扰条件下，降压起动技术、变频器技术和离散变频技术均能获得较高的异步电机转速，三种技术下的转速差异不明显。

分析图5（b）可以看出，在电磁干扰强度低的条件下，离散变频技术的异步电机转速明显高于降压起动技术和变频器技术，应用离散变频技术时，在频率为1000 Hz 时，异步电机转速最高可达9000 r/min。

分析图5（c）可以看出，在电磁干扰强度高的条件下，当频率小于400 Hz 时，降压起动技术和变频器技术由于负载过大，使异步电机运行不稳定，导致石油天然气站异步电机转速较低；虽然随着频率的增大，异步电机转速有所上升，但是上升趋势不明显。采用离散变频技术时，石油天然气站异步电机转速呈现较为明显的上升趋势，虽然频率在200 Hz～300 Hz 之间时，略有下降，但是整体转速明显高于降压起动技术和变频器技术。

通过上述分析可知，离散变频技术可以有效抑制电磁干扰，加快石油天然气站异步电机的转速。这是由于该技术通过设计异步电机电路，加快了电流峰值达到饱和状态的速度，抑制了无效电流和干扰电流，增加了电机绕组的有效电流，实现了对电磁干扰的抑制，从而达到了提高运行速度的目的。

3 结语

本文提出了离散变频技术在石油天然气站异步电机中的应用。通过异步电机离散变频处理得到异步电机供电电源的分频数。在此基础上，设计并分析异步电机的等效电路，计算异步电机产生的正、负序阻抗总值，并进行正负电磁之间的转矩，实现石油天然气站异步电机的离散变频。实验结果表明，石油天然气站异步电机的离散变频技术能有效抑制不同程度的电磁干扰，具有较高的变频性能。