1.引言
国内某知名化工企业聚碳酸酯生产装置，为响应国家“双碳”目标，结合生产现状，拟开展聚碳酸酯节能减排扩产项目，并对原蒸汽拖动的MVR蒸汽压缩机实施“汽改电”。
MVR蒸汽压缩机系统采用一台高速透平蒸汽轮机(简称：汽轮机)拖动，直接与高速离心压缩机传动轴相连接，如图1a所示。在压缩机“汽改电”实施中，主要面临如下问题：
(1) 传统电动机实施电驱改造，需要增设增速齿轮箱、润滑站、盘车装置等(如下图1b所示)，对现有汽轮机基础进行破拆改造。需重新进行轴系扭振校核设计，改造周期长、施工强度大；且存在传动系统效率低，能耗高、维护成本大等问题。
(2)采用“高速电动机+高频驱动的高压变频器”的改造模式(如图1c所示)，可利用汽轮机现有基础改造，工程实施难度小。但是，“高速电动机+高频驱动的高压变频器”的选择，技术论证困难。
(3)大容量高速直驱系统是电气驱动领域的先进技术方向，高速电机结构强度、高压变频器高频驱动性能、安全可靠性等均属行业技术前沿。
图1 MVR蒸汽压缩机改造前后传动结构示意图
作为重要的节能降碳、扩产增效技改项目，不论是选择传统的“高压变频器+普通电机+增速齿轮箱”的改造模式，还是先进的“高速电动机+高频驱动的高压变频器”路线都存在技术或实施难点。
鉴于此，实施单位经多方考察、论证，最终决定采用先进的“高速永磁同步电动机+高频驱动高压变频器”技术路线，其配套设备参数如下表所示：
2.关键技术难点分析
通常高压变频器输出频率范围为0-120Hz，而该项目配套高速电动机的额定频率为253.33Hz，最高运行频率为260Hz。这意味着，高压变频器需要具备260Hz及以上高频输出的驱动能力。这不仅是输出频率的简单倍频，更是对变频器的信号采样速率、输出载波频率、系统通讯速率、主控算力和控制算法、功率器件高频开关损耗抑制、功率单元热力仿真优化等提出了更高要求。
2.1 永磁同步电机(PMSM)转子静止位置定位
永磁同步电机转子旋转时，定子侧会产生感应电动势，变频器可以通过对感应电动势的锁相获取转子的实时位置角度，而永磁同步电动机在静止状态下，其转子磁极位置与定子磁极间的对应关系存在随机性(如图2所示)。在不进行转子静止位置检测的情况下，直接向定子施加三相电压，定子磁场与转子磁场存在随机性，可能导致电动机反转，严重情况下会造成变频器输出过流并对机械传动造成损害。为避免上述情况，同步电动机启动时，需先对永磁同步电动机转子的初始位置进行检测，获取转子的初始位置后施加与转子角度同相位的三相电压启动电动机运行。
图2 转子磁极位置与定子磁极位置在静态下存在不确定性
为此，能传电气开发出无速度传感器控制场景下的永磁同步电动机转子静止位置定位技术。该项技术的难点在于软件层面需要基于“矢量控制算法”，硬件层面要求变频器具备高精度的输出侧电压电流采样处理能力，以便于精准识别电动机侧微弱的采样信号变化。
该技术实现同步电动机静止初始位置检测精度误差＜3°，变频器输出电压的初始电压矢量角度由转子位置角开始，可避免启动的反转、过流。下图为采用“同步电动机转子初始定位”技术，启动时的电压、转速、电流波形曲线。由图可见，变频器驱动电机运行平稳，无电压以及电流的过冲现象。
图3 启动时的电压、转速、电流波形
2.2 超高频驱动高速采样技术
高速电动机运行频率达到260Hz时，每周期仅3.85ms(T=1/260≈3.85ms)。相较于通用高压变频器50Hz、20ms一个周期的驱动条件，同样控制性能其采样周期需提高5倍之多。因此相较于常规额定频率为工频的电机，驱动高频电机需要更高频率的采样与控制，以保证变频器输出的动态响应速度。
与此同时，变频器输出电压、电流采样元件则需具备高带宽(>100kHz)、低延迟(<1μs)特性；主控系统的ADC转换时间、信号调理电路延迟必须严格控制；主控系统的控制算法需在单个控制周期内完成Park/Clarke变换、PI调节、PWM生成等，对实时性提出极高要求。
2.3 高频输出PWM载波调制技术
驱动电机运行于260Hz时，若载波比(载波频率/运行频率)过低(如<20)，将导致电流谐波显著增加，影响转矩平稳性与效率，为减小电流纹波、提升控制精度，需提高PWM载波频率，但提高载波频率，则会造成功率器件开关损耗与du/dt应力，因此，合理选择PWM载波频率，实现不同运行频率段的输出调制，是应对变频器高频输出控制的策略之一。
NC HVVF系列高压变频器单元串联结构，通过单元PWM载波频率和单元串联级数移相叠加两项技术实现电机侧输出的高频载波。在满足变频器高频输出条件下满足控制精度要求，并有效抑制功率器件的开关损耗，满足应用于120-260Hz高频驱动运行场景。
2.4 功率单元与主控通讯速率对高频驱动的影响
变频器主控系统与功率单元的通讯速率，同样是高压变频器驱动高频电机的重要因素。高频PWM载波频率，需要主控系统通过高速通讯为所有功率单元提供高解析的IGBT开关指令信号。确保每一个功率单元的IGBT逆变桥回路，能够精准导通和关断。相较于通用变频器的1-2MHz通讯速率，应用于高频驱动的高压变频器则需要采用10MHz以上的高速通讯光纤链路及高速FPGA处理能力，通过载波调制技术、死区补偿技术、载波移相等技术实现对每台功率单元驱动信号的高速传输，有效避免因通讯延迟大或带宽不足导致的各单元输出不同步，引发环流、电压不平衡等问题。
2.5 高频驱动对主控算力的要求
高频驱动的高压变频器不仅对变频器的输出采样、IGBT驱动载波频率、单元光纤通讯等提出更高要求，也对高压变频器的主控系统处理速度、浮点运算算力等提出了更高要求。NC HVVF系列高压变频器主控硬件平台采用“DSP+FPGA+ARM”三核集成一体化主控板，解决了传统机架式主控箱架构背板总线对处理性能的限制。主控芯片具备高主频(≥500MHz)、硬件浮点单元(FPU)，能够更好地适应和满足高频驱动的控制需求。
3.应用效果
能传电气提供的NC HVVF系列高压变频器，在某聚碳酸酯生产装置MVR蒸汽压缩机项目的“汽改电”应用中，为高速永磁同步电动机提供了良好的高频驱动性能和系统安全控制性能，为项目改造提供了高可靠、可持续的技术支撑。自2023年6月投运以来，连续稳定运行超20,000小时无故障、无非停事故，为客户节能增效、保障生产效益发挥了重要作用。
变频器的运行数据监视画面如下图所示：
图4 变频器现场运行数据监视画面
4.结语
通过上述分析，不难看出：驱动高频电动机的高压变频器在硬件、通讯、载波控制、算法等方面相较于通用高压变频器存在较大技术差异。高频驱动变频器在主控平台、信号采样、电力电子驱动、单元通讯等关键技术上对产品的硬件开发平台、软件算力提出更高的要求。面向高速同步电动机应用，对高压变频器提出了“高精度、高带宽、高同步、高算力”的综合要求。
其关键技术点突破在于：
(1)静态下转子初始位置角度的检测；
(2)高带宽、低延迟采样及通信架构；
(3)PWM载波频率与开关损耗的优化平衡；
(4)针对高频永磁同步电机的矢量控制算法。
针对高压变频调速技术驱动高速电动机的应用需求，需通过系统级协同优化，整合大功率电力电子驱动、三核一体主控平台与高带宽动态优化矢量控制算法，从而在高压大功率场景下实现高速永磁同步电动机的精准启动、稳定控制与可靠运行。
