CN102136719A - 一种抑制变频器过压失速的方法及装置 - Google Patents

一种抑制变频器过压失速的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及抑制变频器过压失速的方法和装置。包括：采样母线电压Vbus，并计算采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc；采样电机相电流，并实时计算反馈功率Power；当采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc大于零时，执行如下步骤：电压调节器dcPID基于ΔVdc计算瞬时功率的设定值Power*；计算反馈功率Power与瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt；功率调节器ptPID基于ΔPt计算并输出频率的递减值df*，用以调节变频器脉宽调制波的频率递减量。实施本发明，由于采用电压外环、功率内环的双环控制，将电压环的调节结果作为功率控制的设定，能够准确地实时计算电机回馈功率、调节输出频率的递减量，从而能够快速有效地控制母线电压，实现在电机减速时对母线电压的精确控制。

Description

一种抑制变频器过压失速的方法及装置
技术领域
本发明涉及变频电机，更具体地说，涉及一种抑制变频器过压失速的方法及装置。
背景技术
由于一般变频器母线上的电容都很大，在电机减速发电时，对母线电压的控制为一大惯性环节，存在较大的滞后。在控制上容易超调，导致变频器过压报警。
业内通常采用变压变频控制(VVVF，简称V/F)控制算法来控制变频电机的速度。V/F的过压失速问题一直是变频器研发和使用过程中的难题。它既要满足控制的有效性，实现不过压，又要达到功能的易用性，让现场用户在使用过程中易于理解接受，方便参数调试。过压失速的困难之处在于无法实现对母线电压的精确控制，这源于V/F控制算法所固有的特性。普通的V/F不需要准确的电机参数，因而无法实现对电机内部状态参数的有效控制。
在一些特殊的V/F场合，为了避免过压失速，改善减速性能，不得不加装制动电阻，将电机的能量消耗在制动电阻上。但是这将引起用户成本上升，并且维护麻烦，因为制动电阻使用一段时间后可能失效，需要更换，使得生产效率降低。
传统的过压失速抑制方法通过手动判断母线电压的大小、变化斜率，通过改变减速时间来改变频率变化量。这种方法程序复杂、不可靠。对于不同功率等级的电机、不同负载，参数的适应性差。由于没有明确的控制方法，无法用数学模型来精确描述，因而适应性差，通常使减速时间被拉的很长，母线电压波动大，控制效果很不理想。而且现场用户需要反复调试各种参数，使用极不方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的过压失速抑制方法得出的参数对不同功率等级的电机、不同负载的适应性差、控制效果不好的缺陷，提供一种基于有功功率反馈的过压失速控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种抑制变频器过压失速的方法，包括：
采样母线电压Vbus，并计算采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc；
采样电机相电流，并实时计算反馈功率Power；
当采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc大于零时，执行如下步骤：
电压调节器dcPID依照PID控制算法、基于所述采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc计算瞬时功率的设定值Power*；
计算所述反馈功率Power与所述瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt；
功率调节器ptPID依照PID控制算法、基于所述反馈功率Power与瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt计算并输出频率的递减值df*；
使用所述频率的递减值df*调节变频器脉宽调制波(PWM)的频率递减量。
在本发明所述的抑制变频器过压失速的方法中，所述电压调节器dcPID的上、下限参数由设定的过压失速增益确定，其中，所述电压调节器dcPID的上限参数用于限制瞬时功率的设定值Power*的上限。
在本发明所述的抑制变频器过压失速的方法中，所述功率调节器ptPID的上、下限参数由设定的减速时间确定，其中，所述功率调节器ptPID的上限参数用于限制频率递减量的上限。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：构造一种抑制变频器过压失速的装置，包括：
用于采样母线电压Vbus的电路；
用于采样电机相电流并实时计算反馈功率Power的电路；
第一加法器，用于计算采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc；
第二加法器；
遵循PID控制算法的电压调节器dcPID；及
遵循PID控制算法的功率调节器ptPID；
其中，当采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc大于零时：
所述电压调节器dcPID基于所述采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc计算瞬时功率的设定值Power*；
所述第二加法器计算所述反馈功率Power与所述瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt；
所述功率调节器ptPID基于所述反馈功率Power与瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt计算频率的递减值df*，并输出所述频率的递减值df*。
在本发明所述的抑制变频器过压失速的装置中，所述电压调节器dcPID的上、下限参数由设定的过压失速增益确定，其中，所述电压调节器dcPID的上限参数用于限制瞬时功率的设定值Power*的上限。
在本发明所述的抑制变频器过压失速的装置中，所述功率调节器ptPID的上、下限参数由设定的减速时间确定，其中，所述功率调节器ptPID的上限参数用于限制频率递减量的上限。
实施本发明，具有以下有益效果：由于采用电压外环、功率内环的双环控制，将电压环的调节结果作为功率控制的设定，能够准确地实时计算电机回馈功率、调节输出频率的递减量，从而能够快速有效地控制母线电压，实现在电机减速时对母线电压的精确控制。能够适用各种功率等级的电机、不同负载的场合。
另外，辅助以特殊的控制参数整定方法，用减速时间设定作为频率递减量的上限，通过调节过压失速增益来调节外环的上下限，从而更有效的抑制能量的回馈。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明抑制变频器过压失速的装置的结构示意图；
图2是本发明抑制变频器过压失速的方法的一实施例的流程图；
图3是本发明抑制变频器过压失速的方法的另一实施例的流程图；
图4是采用本发明的抑制变频器过压失速的方法和装置，第一实例中得到实际测试曲线图；
图5是采用本发明的抑制变频器过压失速的方法和装置，第二实例中得到实际测试曲线图。
具体实施方式
本发明提出电压外环、功率内环的双环控制，能够有效地控制母线电压，从而抑制变频器过压失速。
如图1所示，本发明的抑制变频器过压失速的装置100包括第一加法器110、电压调节器(dcPID)120、第二加法器130、功率调节器(ptPID)140及母线电压采样电路112、相电流采样及实时功率计算电路132、电压调节器参数设定模块(LT 1#)122及功率调节器参数设定模块(LT 2#)142。其中，各部件的功能和用途将在后面结合图2和图3作详细描述。
本发明的控制原理是：将过压抑制点Vbus *和实际母线电压之Vbus差ΔVdc作为电压调节器dcPID的输入，dcPID依据PID(比例-积分-微分)控制算法调节输出瞬时功率的设定Power*；通过采样电机三相电流实时计算反馈功率Power，Power*和Power之差ΔPt作为功率调节器的输入；经过功率调节器ptPID计算得到频率的递减值df*；使用所述频率的递减值df*调节变频器脉宽调制波(PWM)的频率递减量。
在使用过程中，用户首先需要根据变频器、电机及负载的类型，设定过压抑制点Vbus *(略低于硬件过压点)、过压失速增益ovGain和减速时间decTime。其中，通过选择/调整过压失速增益ovGain的设定值可以调节dcPID的参数和其上下限，限制Power*的最大值，从而增强对母线电压的控制能力；通过设定减速时间decTime，计算频率递减量作为ptPID的上限ΔFreqmax，从而实现减速时间设定的有效性。
图2是根据本发明一实施例的抑制变频器过压失速的方法200的流程图。如图2所示，本发明的方法200从步骤210开始。之后，在步骤220，母线电压采样电路112对母线电压Vbus进行采样；同时在步骤221，相电流采样及实时功率计算电路132对电机三相电流进行采样，并实时计算反馈功率Power。在步骤230，第一加法器计算采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc。随后，在判断步骤240，判断ΔVdc是否大于零。在ΔVdc大于零的情况下，进入步骤250；在ΔVdc小于或等于零的情况下，返回步骤220和221。在步骤250，电压调节器dcPID 120依照PID控制算法、基于采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc计算瞬时功率的设定值Power*。之后，在步骤260，第二加法器130基于步骤221和步骤250的计算结果，计算反馈功率Power与瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt。在步骤270，功率调节器ptPID依照PID控制算法、基于反馈功率Power与瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt计算频率的递减值df*。在步骤280，输出所计算的频率的递减值df*给控制单元，用以调节变频器脉宽调制波(PWM)的频率递减量。同时方法200返回步骤220和221，继续对母线电压和电机相电流进行监测。
图3是根据本发明另一实施例的抑制变频器过压失速的方法300的流程图。图3所示的方法300与图2中的方法200大部分相同，对相同的步骤此处不再赘述。不同之处在于：对电机相电流的采样和对实时反馈功率Power的计算是在步骤251中进行的，当判断步骤240中判断ΔVdc大于零的情况下，才执行步骤250和251以及之后的步骤。也就是说，在本实施例中，仅当ΔVdc大于零的情况下，相电流采样及实时功率计算电路132才工作。
在本发明的技术方案中，在控制参数整定上，内环需采用高增益，扩展功率闭环采用高增益环节，扩展环路带宽，提高响应速度。同时为提高减速性能，需要辅助以过励磁控制，加快电机能量的消耗，从而达到理想的减速效果。
图4是采用本发明的抑制变频器过压失速的方法和装置，第一实例中得到实际测试曲线图。在图4中，横轴代表时间、纵轴代表电压/电流值，曲线Vbus代表母线电压、曲线I代表电机电流、曲线Vp代表过压点电压；电机功率为15Kw的情况下测试，带大惯性负载，设置减速时间1.0sec，过压抑制后实际减速时间约为5sec。
图5是采用本发明的抑制变频器过压失速的方法和装置，第二实例中得到实际测试曲线图。在图5中，横轴代表时间、纵轴代表电压/电流值，曲线Vbus代表母线电压、曲线I代表电机电流、曲线Vp代表过压点电压；电机功率为160Kw的情况下测试，带大惯性负载，设置减速时间20.0sec，过压抑制后实际减速时间约为38.0sec。
从图4和图5的曲线上看，母线电压都得到了有效的控制，没有出现过压现象。
本发明采用电压外环、功率内环的双环控制。电压环的调节结果作为功率控制的设定，准确计算回馈功率，调节输出频率的递减量。辅助以特殊的控制参数整定方法，用减速时间设定作为频率递减量的上限，通过调节过压失速增益去调节外环的上下限，从而更有效的抑制能量的回馈。与现有技术相比，采用实时计算电机能量回馈，增加对有功功率的闭环控制作为内环，从而增加对母线电压控制的快速性、有效性。能够实现在电机减速时对母线电压的精确控制。

Claims (6)

1.一种抑制变频器过压失速的方法，其特征在于，包括：
采样母线电压Vbus，并计算采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc；
采样电机相电流，并实时计算反馈功率Power；
当采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc大于零时，执行如下步骤：
电压调节器dcPID依照PID控制算法、基于所述采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc计算瞬时功率的设定值Power*；
计算所述反馈功率Power与所述瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt；
功率调节器ptPID依照PID控制算法、基于所述反馈功率Power与瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt计算并输出频率的递减值df*；
使用所述频率的递减值df*调节变频器脉宽调制波(PWM)的频率递减量。
2.根据权利要求1所述的抑制变频器过压失速的方法，其特征在于，所述电压调节器dcPID的上、下限参数由设定的过压失速增益确定，其中，所述电压调节器dcPID的上限参数用于限制瞬时功率的设定值Power*的上限。
3.根据权利要求1所述的抑制变频器过压失速的方法，其特征在于，所述功率调节器ptPID的上、下限参数由设定的减速时间确定，其中，所述功率调节器ptPID的上限参数用于限制频率递减量的上限。
4.一种抑制变频器过压失速的装置，其特征在于，包括：
用于采样母线电压Vbus的电路；
用于采样电机相电流并实时计算反馈功率Power的电路；
第一加法器，用于计算采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc；
第二加法器；
遵循PID控制算法的电压调节器dcPID；及
遵循PID控制算法的功率调节器ptPID；
其中，当采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc大于零时：
所述电压调节器dcPID基于所述采样母线电压Vbus与过压抑制点Vbus *之间的差值ΔVdc计算瞬时功率的设定值Power*；
所述第二加法器计算所述反馈功率Power与所述瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt；
所述功率调节器ptPID基于所述反馈功率Power与瞬时功率的设定值Power*之间的差值ΔPt计算频率的递减值df*，并输出所述频率的递减值df*。
5.根据权利要求4所述的抑制变频器过压失速的装置，其特征在于，所述电压调节器dcPID的上、下限参数由设定的过压失速增益确定，其中，所述电压调节器dcPID的上限参数用于限制瞬时功率的设定值Power*的上限。
6.根据权利要求4所述的抑制变频器过压失速的装置，其特征在于，所述功率调节器ptPID的上、下限参数由设定的减速时间确定，其中，所述功率调节器ptPID的上限参数用于限制频率递减量的上限。
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