高壓變頻器的“飛車啟動(dòng)”及“星點(diǎn)漂移”功能

1 引言

在高壓變頻器的應(yīng)用中，有許多場合都要用到“飛車啟動(dòng)”的功能。“飛車啟動(dòng)”通俗的講，也就是轉(zhuǎn)速跟蹤。也就是說對旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)實(shí)施再啟動(dòng)。如：

（1） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小的場合。典型負(fù)載如風(fēng)機(jī)，它的機(jī)械慣性比較小，輕微的自然風(fēng)就可能使其自然旋轉(zhuǎn)，而對于無此功能的變頻器，要投入運(yùn)行，可能會出現(xiàn)過流保護(hù)，必須等待電機(jī)完全靜止后再啟動(dòng)，而這勢必會耽誤調(diào)試或生產(chǎn)時(shí)間。

（2） 對于一個(gè)風(fēng)道采用兩個(gè)風(fēng)機(jī)引風(fēng)的場合，在停止一臺風(fēng)機(jī)時(shí)，另一臺也會拖動(dòng)停止的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，要想停下勢必要兩臺風(fēng)機(jī)都停下，這樣就比較麻煩。

（3） 對于一拖多的場合，當(dāng)然這種場合可能較少，有時(shí)會用到變頻轉(zhuǎn)工頻、工頻轉(zhuǎn)變頻的場合，也需要檢測轉(zhuǎn)速，實(shí)施跟蹤控制。

（4） “星點(diǎn)漂移”功能是在高壓變頻器運(yùn)行過程中，當(dāng)其中一個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，由于具有單元旁路功能，可暫時(shí)旁路而降額運(yùn)行，但損壞單元的這一相勢必電壓降低，與其他兩相電壓不平衡，造成電機(jī)端電流不平衡，不能長期運(yùn)行。

因此“飛車啟動(dòng)”和“星點(diǎn)漂移”功能在變頻器的安裝、調(diào)試及工業(yè)生產(chǎn)中有著比較重要的意義，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、科研的不斷深化，這兩項(xiàng)功能正逐步應(yīng)用到變頻器實(shí)踐中，形成了高壓變頻器的一個(gè)特色。

2 “飛車啟動(dòng)”的原理及難點(diǎn)

高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”是在電機(jī)定子與變頻器或工頻電網(wǎng)都脫離時(shí)，電機(jī)定子“無源”,電機(jī)轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，但轉(zhuǎn)速隨機(jī)不確知情況下，將高壓變頻器接入電機(jī)定子，使電機(jī)定子從“無源”到“有源”，電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場從無到有，最后電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入正常驅(qū)動(dòng)的過程。

由電機(jī)原理知，當(dāng)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相差較大即轉(zhuǎn)差較大時(shí)，會產(chǎn)生很大的電流而電磁轉(zhuǎn)矩卻不大，例如電機(jī)在工頻下全壓直接起動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子電流會達(dá)到額定值的5～7倍。而高壓變頻器容量一般不可能按電機(jī)電流額定值的5～7倍選配。如果高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”時(shí)輸出頻率較高（50Hz），而電機(jī)轉(zhuǎn)子速度很慢時(shí)就與此類似，必過流跳閘。反之如果高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”時(shí)輸出頻率較低，定子旋轉(zhuǎn)磁場速度低于電機(jī)轉(zhuǎn)子速度，此時(shí)電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)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(dòng)”是否成功的關(guān)鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率是隨機(jī)的,為此必須進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率的搜索,即“飛車啟動(dòng)”開始先搜索電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率,搜索到電機(jī)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。

3 實(shí)現(xiàn)的方法
3.1 轉(zhuǎn)子頻率的搜索有兩種方法

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：
（1） 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(shí)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(shí)意味此時(shí)的輸出頻率就是轉(zhuǎn)子頻率。
（2） 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(jī)轉(zhuǎn)子速度相同時(shí)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(shí)際上v/f曲線與定子額定電流的關(guān)系物理概念不明確，低頻時(shí)又加入作為電壓補(bǔ)償?shù)奶嵘妷海沟媒鑦/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(dòng)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，在本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(jī)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子速度即為同步轉(zhuǎn)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流分量理論上應(yīng)等于零，但實(shí)際中在電機(jī)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)系式是對某一角頻率而言的，頻率搜索時(shí)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(gè)最小轉(zhuǎn)矩電流比較值。

因?yàn)殡姍C(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場速度低于電機(jī)轉(zhuǎn)子速度時(shí)，電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)”，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轉(zhuǎn)矩沖擊。

搜索過程雖然按“滿度”電壓的5%～20%輸出，也有可能因設(shè)置的弱化電壓系數(shù)不合適產(chǎn)生過電流，為此搜索過程還要有電流限幅，對電壓輸出構(gòu)成負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)抑制過電流。

考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子自由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向可能與正常運(yùn)行方向相反的情況，變頻器還要有雙向搜索功能，當(dāng)按正常運(yùn)行方向50Hz起一直到0Hz都搜索不到最小轉(zhuǎn)矩電流，則啟動(dòng)反向搜索過程，搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率后，先降速到0再正向加速到給定頻率。

3.2 高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面的分析結(jié)合原系統(tǒng)，可確定轉(zhuǎn)子頻率搜索的控制邏輯如圖1所示。

圖1 變頻器的“飛車啟動(dòng)”的功能圖

啟動(dòng)“飛車啟動(dòng)”功能后，將自動(dòng)斷開正常的頻率給定，改為搜索給定器給出的100%（50Hz）到0%（0Hz）的遞減頻率給定，經(jīng)v/f曲線變換器生成的v＊要乘降壓系數(shù)（<20%）。電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)采樣值與最大電流imax比較,形成對電壓u＊act的負(fù)反饋，以限制頻率搜索中的過電流，當(dāng)電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)采樣值小于等于設(shè)定的最小轉(zhuǎn)矩電流時(shí)，表明頻率搜索成功。

而后，轉(zhuǎn)入頻率“置值”和“v＊平滑回升”的處理。v＊恢復(fù)后再按積分過程自動(dòng)調(diào)整到人為設(shè)定頻率點(diǎn)運(yùn)行。如果，電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)采樣值始終大于設(shè)定的最小轉(zhuǎn)矩電流且搜索延時(shí)已到則停止搜索，給出搜索失敗提示信息。

4 實(shí)驗(yàn)的過程及遇到的問題
4.1 飛車啟動(dòng)試驗(yàn)

飛車啟動(dòng)試驗(yàn)的方法如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)框圖

先用低壓變頻器帶動(dòng)低壓電機(jī)把高壓電機(jī)拖到一定的轉(zhuǎn)速，然后將低壓變頻器切除，再啟動(dòng)高壓變頻器拖動(dòng)高壓電機(jī)，讓高壓變頻器搜索高壓電機(jī)的速度，搜索到同步轉(zhuǎn)速后再按正常啟動(dòng)，同時(shí)檢測該過程中高壓變頻器輸出的電流變化情況如圖3和圖4所示。

圖3 輸出電流變化情況

圖4 飛車啟動(dòng)過程電流變化情況

每格電流20A，電機(jī)額定電流60A，從測量的電流看搜索電機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)電流峰值為20A，電機(jī)加速中最大電流為50A左右；

4.2 高壓“飛車啟動(dòng)”的另一種想法和思考

在飛車啟動(dòng)功能中，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻輸出額定頻率（50Hz），輸出電壓按一定的速度從最低逐漸升高，在電壓升高的過程中同時(shí)檢測輸出電流，如果輸出電流大于額定電流的1.5倍時(shí)，保持輸出電壓不變，電流下降后再按一定的速度加大電壓，如果電壓加到額定頻率（50Hz）對應(yīng)的電壓時(shí)，基本認(rèn)為“飛車啟動(dòng)”完成，然后運(yùn)行到設(shè)定頻率進(jìn)行正常工作即可。

4.3待驗(yàn)證的問題

（1） 電機(jī)再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在電壓加大過程中，電流變化是否不會超過額定電流的1.5倍；
（2） 電壓加大按多大的速度遞增；
（3） 如果輸出電流大于額定電流的1.5倍時(shí)，電壓保持不變過程中，電流是否會下降，如果電流不下降，降低輸出頻率，電流是否會下降。

4.4著手做高壓變頻器中的“飛車啟動(dòng)”功能和程序結(jié)構(gòu)

“飛車啟動(dòng)”的關(guān)鍵是電流的檢測，合適的電流判斷依據(jù)是核心，目前沒有重點(diǎn)考慮，只考慮了頻率掃描的過程：開始以50Hz的頻率逐漸下降，直到電流合適，然后頻率不變，逐漸升高輸出電壓，然后再運(yùn)行到設(shè)定的頻率。該過程有待于進(jìn)一步細(xì)化。考慮到試驗(yàn)中有電機(jī)發(fā)電狀態(tài)，所以需要在高壓提升機(jī)變頻器上試驗(yàn)，電流的合適點(diǎn)也需要實(shí)測電流來確定。

5 “星點(diǎn)漂移”功能
5.1 原理分析

在變頻器單元出現(xiàn)故障時(shí)，普通做法是將故障單元旁路的同時(shí)，讓其他兩相相應(yīng)的單元也同時(shí)旁路，這樣讓變頻器三相輸出電壓平衡，從而使電機(jī)的三相電流平衡，但這樣變頻器的輸出功率降低了，不適宜長期工作。

因此，技術(shù)人員經(jīng)過分析，提出了“星點(diǎn)漂移”的做法。

如圖5所示，在正常情況下，三相輸出a、b、c平衡，中性點(diǎn)即星點(diǎn)在o點(diǎn)。當(dāng)a相有一個(gè)單元故障時(shí)，把星點(diǎn)由o點(diǎn)轉(zhuǎn)移到o1點(diǎn)，而b相和c相經(jīng)過運(yùn)算，對o1的輸出要與a相一致。當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)或3個(gè)單元故障時(shí)，同樣要經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算使其一致。現(xiàn)最多可作到3個(gè)單元故障的星點(diǎn)轉(zhuǎn)移功能。

圖5 星點(diǎn)轉(zhuǎn)移示意圖

5.2 試驗(yàn)情況

高壓功率單元一個(gè)故障試星點(diǎn)偏移情況，故障相電流如圖6所示。

圖6 故障相電流

在一個(gè)單元故障時(shí)，輸出三相電流不平衡，5kv時(shí)，電流ia=5A，ib=10A，ic=12A，故障單元為a6；在故障一個(gè)單元的情況下停機(jī)，停機(jī)時(shí)的該相電流如圖7所示。

圖7 停機(jī)時(shí)的相電流

此時(shí)，電機(jī)在停止的過程中到30Hz左右時(shí)，出現(xiàn)a5過壓保護(hù)，故障單元換到b相出現(xiàn)同樣現(xiàn)象，換到b相中間出現(xiàn)該相的其他單元過壓保護(hù)，原因有待分析（可能電機(jī)的5kv反電勢直接加到5個(gè)功率單元上）。

故障a6一個(gè)單元，電壓在5kv時(shí)，在40Hz左右時(shí)電流情況如圖8所示。

圖8 40Hz時(shí)的電流波形

讓輸出三相的線電壓平衡，輸出電流如圖9所示。

圖9 星點(diǎn)轉(zhuǎn)移后的電流波形

在此情況下，停機(jī)過程中，電流情況如圖10所示。

圖10 星點(diǎn)轉(zhuǎn)移下的停機(jī)電流