变频器飞车启动

1、高压变频器飞车启动”功能的实现对无速度传感器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

2、 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

3、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

4、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

5、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互相错开，使 6 个单元 相互

6、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UAO。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

7、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 57 倍。而高压变频器容量一般不可能按电机电流额定值的57倍选配。如果高压变频器 飞车启动

8、”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

9、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3/ 4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

10、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 “

11、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