高压变频器飞车启动功能的实现杂质泵

高压变频器“飞车启动”功能的实现

高压变频器“飞车启动”功能的实现 2011： [摘要]：对无速度传感器VVVF控制高压变频调速系统实现“飞车启动”的方法进行了分析，提出了变频器输出频率递降、降压限流的转子频率搜索方法，以转矩电流分量间接观测转子频率来达到定子旋转磁场与转子转速同步的目的，实现转子非静止条件下电动机的平滑启动。

[关键词]：飞车启动高压变频器频率搜索

1．引言

大功率高压变频器广泛地应用于石油化工、电力、冶金、城市建设等行业的各种风机、泵类设备，在降耗节能、改善工艺等方面起着重要的作用。但随着系统应用领域的扩大，简单的无速度传感器VVVF控制大功率高压变频器也存在许多需完善的功能，电机转子处在旋转状态下的变频器启动即所谓“飞车启动”就是比较重要的功能。

在大型的拖动系统中，特别是在风机应用场合，其转子及所带设备的转动惯量都很大，从旋转状态到静止状态的自由停车时间从几十分钟到几个小时。如果因电网原因或误操作或随机的干扰使变频器掉电又重新上电，这时电动机的转子还处于旋转状态，这时若变频器只能在转子静止状态进行启动，则在很多场合如石油化工过程、发电厂锅炉等生产工艺要求严格的工作环境，变频器带动的电机不能及时恢复运行，将会使整个系统停产或机组解列，对于一个大型的系统来说，意外的系统停机将会使用户遭受不可估量的经济损失。

另外，在高压变频器“一拖多”的泵类应用场合，即一套高压变频器“软起动”一台泵到50HZ后将其转到工频，再按同样方式“软起动”另一台，仅最后一台泵用高压变频器调速运行调节供水量。当调速泵退出时出水量还多于需求量还要下调时，就要把某台工频的泵转入变频器调速，这种场合要求变频器具有“变频-工频-变频投切”功能，而从工频到变频的投切同样要求高压变频器必须具有“飞车启动”特性。

还有些不允许变频器驱动的生产设备停机的场合,变频器出现故障或需要维护时,要求把运行的电动机切换到工频运行状态,保证生产设备不停机;当变频器维护完毕允许重新投入运行时,再投入变频运行状态,以满足重要过程控制场合的实际需求，这也要求高压变频器必须具有“飞车启动”特性。

因此，大功率高压变频器具有“飞车启动”的功能，在满足用户需求方面是必不可少的重要条件。否则，将会限制其在大型工业领域中的应用。

2．多电平单元串联电压源型高压变频器系统简介

主回路系统结构简介：

多电平单元串联电压源型高压变频器是国内应用较多的，对于每相六个单元的高压变频器主回路结构如图1所示。首先由移相变压器将三相三绕组的高压降为三相多绕组的低压，为降低对电网的谐波影响，经延边三角形移相处理，使低压侧每相的六个绕组电压相位互差10度。

功率单元结构如图2所示，每个单元输入侧为6脉波的三相全波二极管整流桥，每相六个单元输入电压互差10度，呈现给电网侧的相当于36脉波的整流器。

每一个单元为低压变频器，由整流桥，储能电容，H桥输出逆变器组成，由于输入侧为二极管整流，功率流只能是从整流侧输入从H桥逆变器输出，如果从H桥向功率单元有功率流入的话，只能使储能电容电压不断升高而损坏。故此，应防止变频器所驱动的电机进入发电状态向变频器回馈能量。

变频器运行时，三相交流电源通过功率单元内整流二极管桥进行整流，电容阵列对脉动直流进行滤波，变为恒定的直流。电容阵列同时作为PWM输出的能量中继池，提供给输出回路稳定的电压。

每相六个功率单元的H桥逆变器，其PWM输出控制信号由公共的正弦波和6个三角载波比较生成，6个三角载波按其自身周期的1/6互相错开，使6个单元相互串联叠加后输出电压为13阶梯波，如图3所示。其中UA1…UA6分别为A相6个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压UA0。图中显示出了生成PWM控制信号时所采用A相参考电压UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF为A相输出电压中的基波成分。

对6KV变频器，功率单元的输入电压为三相600V，当变频器输出频率为50HZ时，功率单元输出为单相577V，单元相互串联叠加后可输出相电压3464V。

由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由A相和B相输出电压产生的UAB输出线电压可达6000V，为25阶梯波。图4所示为输出的线电压和相电压的阶梯波形，谐波成分及dV/dt均较小。

3．高压变频器“飞车启动”方法

高压变频器“飞车启动”是在电机定子与变频器或工频电网都脱离时，电机定子“无源”,电机转子处于转动状态，但转速随机不确知情况下，将高压变频器接入电机定子，使电机定子从“无源”到“有源”，电机定子旋转磁场从无到有，最后电机定子旋转磁场拖动电机转子进入正常驱动的过程。

由电机原理知，当电机定子旋转磁场速度与电机转子速度相差较大即转差较大时，会产生很大的电流而电磁转矩却不大，例如电机在工频下全压直接起动时，电机定子电流会达到额定值的5~7倍。而高压变频器容量一般不可能按电机电流额定值的5~7倍选配。如果高压变频器“飞车启动”时输出频率较高（50HZ），而电机转子速度很慢时就与此类似必过流跳闸。反之如果高压变频器“飞车启动”时输出频率较低，定子旋转磁场速度低于电机转子速度，此时电机为发电状态，电机转子将向定子側反送能量给变频器电容充电，使变频器因电容电压泵升过压而跳闸。

因此，高压变频器“飞车启动”是否成功关键是输出和转子速度（频率）相同的频率。而电机转子频率是随机的，为此必须进行电机转子频率的搜索，即“飞车启动”开始先搜索电机转子频率，搜索到电机转子频率后，变频器再按搜索到的转子频率作为输出频率。这样，既不会出现过流也不会出现电容电压泵升过压的现象。

对无速度传感器的V/F控制方式，西门子变频器使用手册提到转子频率的搜索有两种方法：

一种可称之为“定子输入恒定额定电流的V/F曲线电压比较法”，搜索时始终保持定子为恒定额定电流，比较变频器输出电压与V/F曲线上的电压值，二者相等时意味此时的输出频率就是转子频率。

另一种可称之为“直流母线最小电流法”即定子旋转磁场速度与电机转子速度相同时变频器直流母线电流最小，借检测直流母线电流间接检测转子频率。

前一种理论上可行，但实际上V/F曲线与定子额定电流的关系物理概念不明确，低频时又加入作为电压补偿的提升电压，使得借V/F曲线比较电压的精度难保证，另外，恒定额定电流控制的动态响应问题也直接影响电压比较和频率的搜索精度。

后一种物理概念明确但不可照搬，在我们的高压变频器功率单元中，无直流母线电流检测，因此不能采用检测直流母线电流间接检测转子频率的方案。但可以把电机加入搜索电压后产生的定子电流通过矢量分解，取出转矩电流分量，借观测转矩电流分量间接观测转子频率来实现。当定子旋转磁场速度与电机转子速度相同时，电机转子速度即为同步转速。此时，转矩电流分量理论上应等于零，但实际中在电机转子频率的搜索过程中，旋转磁场角频率是变化的，而矢量变换分解转矩电流的变换关系式是对某一角频率而言的，频率搜索时变化步长也不可能无穷小，有可能前一步高于转子频率后一步又低于转子频率，所以应按转矩电流分量“接近于零”搜索。即按转矩电流分量最小来“搜索”，给定一个最小转矩电流比较值。

因为电机定子旋转磁场速度低于电机转子速度时，电机为发电状态，电机转子将向定子側反送能量给变频器电容充电，使变频器电容电压泵升过压，故搜索过程必须从高于电机转子频率起，考虑所有可能性取最高50HZ起。故频率搜索由高到低单调下降。

搜索过程从高于电机转子频率（50HZ）起，如果直接按V/F曲线将输出“满度”电压，类似“全压直接启动”，电流与转矩冲击极大。因此电压取“满度”电压的5%~20%输出，搜索成功后再使电压慢慢回升到此频率下的“满度”电压。即弱化电压限制电流与转矩冲击。

搜索过程虽然按“满度”电压的5%~20%输出，也有可能因设置的弱化电压系数不合适产生过电流，为此搜索过程还要有电流限幅，对电压输出构成负反馈自动抑制过电流。

考虑到电机转子自由旋转转向可能与正常运行方向相反的情况，变频器还要有双向搜索功能，当按正常运行方向50HZ起一直到0HZ都搜索不到最小转矩电流，则启动反向搜索过程，搜索到电机转子频率后，先降速到0再正向加速到给定频率。

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