高壓變頻器“飛車啟動”功能的實現(xiàn)

1、高壓變頻器“飛車啟動”功能的實現(xiàn)   摘要：對無速度傳感器VVVF控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)“飛車啟動”的方法進行了分析，提出了變頻器輸出頻率遞降、降壓限流的轉(zhuǎn)子頻率搜索方法，以轉(zhuǎn)矩電流分量間接觀測轉(zhuǎn)子頻率來達到定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步的目的，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子非靜止條件下電動機的平滑啟動。 關(guān)鍵詞： 飛車啟動   高壓變頻器  頻率搜索   Abstract: This paper discusses the method  of starting free-running motor for VVVF high volt

2、age inverter with sensorless speed control. By the analysis to the starting process, a frequency search method based on stator torque current is presented. Experiments are performed well and practice free-running motor has been started smoothly.Keywords: flying start  high voltage inverter 

3、; frequency search   1  引言大功率高壓變頻器廣泛地應(yīng)用于石油化工、電力、冶金、城市建設(shè)等行業(yè)的各種風(fēng)機、泵類設(shè)備，在降耗節(jié)能、改善工藝等方面起著重要的作用。但隨著系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，簡單的無速度傳感器VVVF控制大功率高壓變頻器也存在許多需完善的功能，電機轉(zhuǎn)子處在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的變頻器啟動即所謂“飛車啟動”就是比較重要的功能。在大型的拖動系統(tǒng)中，特別是在風(fēng)機應(yīng)用場合，其轉(zhuǎn)子及所帶設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣量都很大，從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)到靜止狀態(tài)的自由停車時間從幾十分鐘到幾個小時。如果因電網(wǎng)原因或誤操作或隨機的干擾使變頻器掉電又重新上電，這時電動機的轉(zhuǎn)子還處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時若變頻

4、器只能在轉(zhuǎn)子靜止狀態(tài)進行啟動，則在很多場合如石油化工過程、發(fā)電廠鍋爐等生產(chǎn)工藝要求嚴格的工作環(huán)境，變頻器帶動的電機不能及時恢復(fù)運行，將會使整個系統(tǒng)停產(chǎn)或機組解列，對于一個大型的系統(tǒng)來說，意外的系統(tǒng)停機將會使用戶遭受不可估量的經(jīng)濟損失。另外，在高壓變頻器“一拖多”的泵類應(yīng)用場合，即一套高壓變頻器“軟起動”一臺泵到50HZ后將其轉(zhuǎn)到工頻，再按同樣方式“軟起動”另一臺，僅最后一臺泵用高壓變頻器調(diào)速運行調(diào)節(jié)供水量。當(dāng)調(diào)速泵退出時出水量還多于需求量還要下調(diào)時，就要把某臺工頻的泵轉(zhuǎn)入變頻器調(diào)速，這種場合要求變頻器具有“變頻-工頻-變頻投切”功能，而從工頻到變頻的投切同樣要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動”特

5、性。還有些不允許變頻器驅(qū)動的生產(chǎn)設(shè)備停機的場合,變頻器出現(xiàn)故障或需要維護時, 要求把運行的電動機切換到工頻運行狀態(tài),保證生產(chǎn)設(shè)備不停機; 當(dāng)變頻器維護完畢允許重新投入運行時, 再投入變頻運行狀態(tài),以滿足重要過程控制場合的實際需求，這也要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動”特性。因此，大功率高壓變頻器具有“飛車啟動”的功能，在滿足用戶需求方面是必不可少的重要條件。否則，將會限制其在大型工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。   2 多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器系統(tǒng)簡介 主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介：多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器是國內(nèi)應(yīng)用較多的，對于每相六個單元的高壓變頻器主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先由移

6、相變壓器將三相三繞組的高壓降為三相多繞組的低壓，為降低對電網(wǎng)的諧波影響，經(jīng)延邊三角形移相處理，使低壓側(cè)每相的六個繞組電壓相位互差10度。功率單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個單元輸入側(cè)為6脈波的三相全波二極管整流橋，每相六個單元輸入電壓互差10度，呈現(xiàn)給電網(wǎng)側(cè)的相當(dāng)于36脈波的整流器。每一個單元為低壓變頻器，由整流橋，儲能電容，H橋輸出逆變器組成，由于輸入側(cè)為二極管整流，功率流只能是從整流側(cè)輸入從H橋逆變器輸出，如果從H橋向功率單元有功率流入的話，只能使儲能電容電壓不斷升高而損壞。故此，應(yīng)防止變頻器所驅(qū)動的電機進入發(fā)電狀態(tài)向變頻器回饋能量。變頻器運行時，三相交流電源通過功率單元內(nèi)整流二極管橋進行整流，電

7、容陣列對脈動直流進行濾波，變?yōu)楹愣ǖ闹绷?。電容陣列同時作為PWM輸出的能量中繼池，提供給輸出回路穩(wěn)定的電壓。每相六個功率單元的H橋逆變器，其PWM輸出控制信號由公共的正弦波和6個三角載波比較生成，6個三角載波按其自身周期的1/6互相錯開，使6個單元相互串聯(lián)疊加后輸出電壓為13階梯波，如圖3所示。其中UA1 UA6分別為A相6個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖中顯示出了生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。對6KV變頻器，功率單元的輸入電壓為三相600V，當(dāng)變頻器輸出頻率為50HZ時，功率單元輸出為

8、單相577V，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓3464V。由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產(chǎn)生的UAB輸出線電壓可達6000V，為25階梯波。圖4所示為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，諧波成分及dV/dt均較小。3高壓變頻器“飛車啟動”方法 高壓變頻器“飛車啟動” 是在電機定子與變頻器或工頻電網(wǎng)都脫離時，電機定子“無源”,電機轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，但轉(zhuǎn)速隨機不確知情況下，將高壓變頻器接入電機定子，使電機定子從“無源”到 “有源”，電機定子旋轉(zhuǎn)磁場從無到有，最后電機定子旋轉(zhuǎn)磁場拖動電機轉(zhuǎn)子進入正常驅(qū)動的過程。由電機原理知，當(dāng)電機定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與電機轉(zhuǎn)

9、子速度相差較大即轉(zhuǎn)差較大時，會產(chǎn)生很大的電流而電磁轉(zhuǎn)矩卻不大，例如電機在工頻下全壓直接起動時，電機定子電流會達到額定值的57倍。而高壓變頻器容量一般不可能按電機電流額定值的57倍選配。如果高壓變頻器“飛車啟動”時輸出頻率較高（50HZ），而電機轉(zhuǎn)子速度很慢時就與此類似必過流跳閘。反之如果高壓變頻器“飛車啟動”時輸出頻率較低，定子旋轉(zhuǎn)磁場速度低于電機轉(zhuǎn)子速度，此時電機為發(fā)電狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)子將向定子側(cè)反送能量給變頻器電容充電，使變頻器因電容電壓泵升過壓而跳閘。因此，高壓變頻器“飛車啟動”是否成功關(guān)鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機轉(zhuǎn)子頻率是隨機的，為此必須進行電機轉(zhuǎn)子頻率的搜索，即“飛車啟

10、動”開始先搜索電機轉(zhuǎn)子頻率，搜索到電機轉(zhuǎn)子頻率后，變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子頻率作為輸出頻率。這樣，既不會出現(xiàn)過流也不會出現(xiàn)電容電壓泵升過壓的現(xiàn)象。對無速度傳感器的V/F控制方式，西門子變頻器使用手冊提到轉(zhuǎn)子頻率的搜索有兩種方法：一種可稱之為“定子輸入恒定額定電流的V/F曲線電壓比較法” ，搜索時始終保持定子為恒定額定電流，比較變頻器輸出電壓與V/F曲線上的電壓值，二者相等時意味此時的輸出頻率就是轉(zhuǎn)子頻率。另一種可稱之為“直流母線最小電流法”即定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與電機轉(zhuǎn)子速度相同時變頻器直流母線電流最小，借檢測直流母線電流間接檢測轉(zhuǎn)子頻率。前一種理論上可行，但實際上V/F曲線與定子額定電流的關(guān)系物理

11、概念不明確，低頻時又加入作為電壓補償?shù)奶嵘妷?，使得借V/F曲線比較電壓的精度難保證，另外，恒定額定電流控制的動態(tài)響應(yīng)問題也直接影響電壓比較和頻率的搜索精度。后一種物理概念明確但不可照搬，在我們的高壓變頻器功率單元中，無直流母線電流檢測，因此不能采用檢測直流母線電流間接檢測轉(zhuǎn)子頻率的方案。但可以把電機加入搜索電壓后產(chǎn)生的定子電流通過矢量分解，取出轉(zhuǎn)矩電流分量，借觀測轉(zhuǎn)矩電流分量間接觀測轉(zhuǎn)子頻率來實現(xiàn)。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與電機轉(zhuǎn)子速度相同時，電機轉(zhuǎn)子速度即為同步轉(zhuǎn)速。此時，轉(zhuǎn)矩電流分量理論上應(yīng)等于零，但實際中在電機轉(zhuǎn)子頻率的搜索過程中，旋轉(zhuǎn)磁場角頻率是變化的，而矢量變換分解轉(zhuǎn)矩電流的變換關(guān)系式是

12、對某一角頻率而言的，頻率搜索時變化步長也不可能無窮小，有可能前一步高于轉(zhuǎn)子頻率后一步又低于轉(zhuǎn)子頻率，所以應(yīng)按轉(zhuǎn)矩電流分量“接近于零”搜索。即按轉(zhuǎn)矩電流分量最小來“搜索”，給定一個最小轉(zhuǎn)矩電流比較值。因為電機定子旋轉(zhuǎn)磁場速度低于電機轉(zhuǎn)子速度時，電機為發(fā)電狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)子將向定子側(cè)反送能量給變頻器電容充電，使變頻器電容電壓泵升過壓，故搜索過程必須從高于電機轉(zhuǎn)子頻率起，考慮所有可能性取最高50HZ起。故頻率搜索由高到低單調(diào)下降。  搜索過程從高于電機轉(zhuǎn)子頻率（50HZ）起，如果直接按V/F曲線將輸出“滿度”電壓，類似“全壓直接啟動”，電流與轉(zhuǎn)矩沖擊極大。因此電壓取“滿度”電壓的5%20%輸出，搜索成功后再使電壓慢慢回升到此頻率下的“滿度”電壓。即弱化電壓限制電流與