CN102291085B - 具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置。变频器采用交-直-交方式，先利用整流器将工频交流电源转换成直流电源，然后通过逆变环节将直流电源转换成电压、频率均可控制的交流电源提供给异步电机。工频交流电源接入变频器之后，先接入内部的二极管整流模块，将交流电变成直流电，整流桥输出接入BOOST升压模块，BOOST升压模块的输出接入DC/AC逆变模块的输入，逆变模块的输出直接供给异步电机作为交流电源。正常情况下BOOST升压模块不启动，当检测到电网电压出现跌落时，BOOST模块自启动，保证逆变环节有足够的直流电压源，确保异步电机的稳定运行。

Description

具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置

技术领域

本发明属于电力系统、电力电子技术领域，适用于各种异步电机的控制，尤其是对电网电压稳定性要求较高的敏感负荷的控制，可以实现对电机的不间断供电。

背景技术

异步电机拖动变频器广泛应用于工业生产的各个领域，用于调节旋转类负载的转速、转矩和功率。异步电机拖动变频器输入侧连接交流电网，其内部的整流桥将电网的交流电源变换为直流电源，供给变频器逆变部分工作。常规异步电机变频器会对直流母线电压进行监视，当出现直流母线电压过低的情况时，变频器会采取相应的保护动作，闭锁变频器输出，以此保证变频器自身的安全。

当电力系统中发生短路故障时，会触发一定程度的交流电压跌落，这个交流电压跌落，经过整流桥的整流作用，会体现为其内部直流母线电压的跌落，进而触发变频器保护，拖动电机停转。对于某些需要连续运行的关键负载，这种由电网低电压过程造成的停机是不能容忍的，会给生产安全带来很大的危害。因而需要寻求一种新型的变频器装置，能够跨越系统低电压跌落的过程，保证负载的持续、可靠运行。

发明内容

为了克服现有技术存在的以上问题，本申请提出的低电压穿越异步电机变频器装置解决了电网交流电源电压发生跌落时变频器触发自身保护，不能保证异步电机应有的转速、转矩，影响生产和安全的问题。

本发明的具体方案如下：

一种具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置，串联于三相电力系统与三相异步电机之间，所述异步电机变频器装置主要包括整流电路、升压电路和IPM(集成功率模块)逆变桥；其特征在于：所述三相电力系统连接所述整流电路的输入端，将三相交流电变换成直流电；

所述整流电路的输出端与所述升压电路的输入端相连；

所述升压电路的输出端与所述IPM逆变桥的输入端相连；

所述IPM逆变桥的输出端连接至所述三相异步电机；

在三相电力系统的电压正常时，升压电路中的开关器件不工作，三相电力系统电源经整流电路、升压电路中与开关器件串联的二极管、IPM逆变桥输入到三相异步电机，为该三相异步电机提供电源；

当三相电力系统的电压跌落至预定值时，升压电路中的开关器件工作，升压电路自启动，三相电力系统电源经整流电路整流、升压电路升压后，在通过IPM逆变器输入至三相异步电机，为该三相异步电机提供稳定的电源。

将工频的交流电源接入变频器之后，先通过内部的二极管整流模块作用，将交流电整流成直流电，整流桥的输出作为BOOST升压模块(三重BOOST错频升压电路，包括3个储能电感、三相H桥、输出支撑电容)的输入，BOOST升压模块的输出作为DC/AC逆变模块的输入，逆变模块的输出直接供给异步电机作为交流电源。电网电压正常的情况下，BOOST升压模块不启动，当检测到电网电压出现跌落时，BOOST模块自启动，保证逆变环节输出足够的直流电压源，确保异步电机的稳定运行。

当电网电压出现短时跌落，系统检测到电网电压异常，则启动BOOST升压模块，保证DC/AC逆变模块可以获得稳定的直流电压源，DC/AC模块经过逆变之后再控制异步电机，可以保证异步电机的转速恒定，确保敏感负荷的可靠运行。具有低电压穿越能力的变频器不但可以进行电机的软启动，还可以根据用户需要调节电机的转速，调节精度高、系统响应速度快。而且这种变频器可以实现低电压穿越，各种正常和异常的使用工况都可以适应，有效的应对了电压跌落的问题，提高设备了系统的可靠性，延长了设备的使用寿命，有效的提高了电能质量。

附图说明

图1为具有低电压穿越能力的变频器拓扑结构示意图；

图2为电网电压跌落监控模块子程序流程图；

图3为升压自动控制模块主程序流程图；

图4为升压自动控制框图；

图5为集成自检系统程序流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

低电压穿越异步电机变频器装置如图1所示。

实施例1：本申请具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置由整流电路1、升压电路2和IPM逆变桥3三部分构成。

整流电路1为三相不控整流电路结构；升压电路2为DCDC升压模式，其拓扑选用B0OST升压电路，本发明中的BOOST电路采用三重BOOST模式；逆变电路3由IPM三相逆变桥构成。

整流电路1为三相全桥不控整流部分。该部分采用全波不控整流电路，不控整流桥由二极管模块构成，其将电网输入的交流电能整流转化为直流电，并储存于其直流侧所连接的整流直流电容上；

升压电路2为直流升压模块部分。该部分采用BOOST升压电路拓扑，其主体由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管和直流电感构成，通过调整IGBT的导通占空比，控制前后端直流电压的变比。直流升压模块可将整流直流电容上的直流电压变换为更高电压等级的直流电压，并储存于其后连接的逆变直流电容上。本发明中，为了减小直流输入、输出侧的电流谐波，并减小所选用直流电感的感值，选取了三重BOOST模式，即将三个完全相同的BOOST电路并联于输入、输出端之间，三套电路中IGBT的触发角度互差120°。

逆变电路3为三相逆变桥部分。该部分采用三相全桥结构，其开关元件选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)其作用是通过IGBT的开关动作，将直流升压模块部分输出的直流电压变换为脉冲型式的频率、幅值均可调整的交流电压，用以驱动交流异步电机，并控制电机的转速和转矩。

在实施例1中，本申请具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置只包括整流电路1和升压电路2和IPM逆变桥3三部分。通过外部的电网电压检测电路检测电网电压的跌落程度。在三相电力系统的电压正常时，升压电路2中的开关器件不工作，三相电力系统电源经整流电路、升压电路2中与开关器件串联的二极管、IPM逆变桥输入到三相异步电机，为该三相异步电机提供电源。当三相电力系统的电压跌落至预定值时，通过外部的控制系统控制驱动升压电路2动作，升压电路2中的开关器件工作，升压电路2自启动，三相电力系统电源经整流电路整流、升压电路升压后，在通过IPM逆变器输入至三相异步电机，为该三相异步电机提供稳定的电源。

实施例2：具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置除了如实施例1所述包括整流电路1和升压电路2和IPM逆变桥3三部分以外，还进一步包括不间断电源UPS和变压器，所述不间断电源UPS输入端连接至三相电力系统，UPS从电力系统获取能量，对内部蓄电池进行充电，在系统电压跌落时，蓄电池可保证UPS正常的交流输出。不间断电源UPS输出端连接至变压器，变压器可实现将UPS输出的220V交流单相电压变换为110V或380V电压送出。

实施例3：在实施例3中，本申请的具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置在实施例1和/或2的技术方案以外，还可以进一步在变频器装置内部集成控制电路部分3。

所述控制电路部分3包括电网电压跌落监控模块、升压电路自动控制模块。该控制电路部分3还进一步包括信号预处理模块。信号预处理模块是将功率电路测得的电压电流信号转化为采样板所能接收的信号。电网电压经过信号预处理电路，经过霍尔电压传感器，经过采样板连接电网电压监控模块，所述电网电压跌落监控模块，采集电网三相电压，通过坐标变换的方法，实时计算电力系统电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压跌落是否小于预定值，作为升压电路的启动判据。

整流电路侧电容电压及升压电路侧电容电压信号经过信号预处理电路传到升压电路自动控制模块；直流母线电流经霍尔电流传感器，通过信号预处理电路传至升压电路自动控制模块。IPM逆变桥的输出电压电流信号经信号预处理电路后，经霍尔传感器传到自动控制模块。该自动控制模块的输出端分别连接至各BOOST并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，对升压电路进行自启动控制，自启动时间小于100us。

所有控制方法嵌入电网电压跌落监控模块以及升压电路自动控制模块的控制器中，用于实现对电压跌落的监测，通过一定的控制算法，输出直流升压模块及IPM逆变器中IGBT的开关信号，控制直流母线输出电压恒定及逆变器输出频率及电压。

所述具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置的控制方法是按如下步骤进行：

电网电压跌落监控模块的控制方法如图2所示，其实时对电网电压进行采样并显示，通过坐标变换和正负序分离，实时计算电网三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断电网三相交流电源电压跌落是否小于预定值，向控制模块发出启动指令，

步骤一：采集电网电压数据；

步骤二：计算有效值，为装置的慢速保护做数据准备；

大部分电网参数如电压、电流等的有效值可以通过简单的算法计算出来，但在很大范围内不能保证精度，这对于高精度的测量和保护是不够的，而且存在谐波测量等复杂的问题，因此通过快速傅里叶变换算法作为采样计算算法。应用傅立叶公式计算有效值按如下方法：

$a_1=\frac{1}{N}\left[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\right]$ $b_1=\frac{1}{N}[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)+x_N]$

有效值： $X=\frac{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}{\sqrt{2}}$ 相角： $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{b_1}{a_1}$

其中：N：基波信号1周期采样点数；

x_k：第k次采样值；

x₀：k＝0时的采样值；

x_N：k＝N时的采样值。

步骤三：将采集的电网电压数据进行坐标变换，提取正序分量；

步骤四：判断电压值是否低于预设值；若低于预设值，向自动控制模块发出启动信号；否则返回。

自动控制模块控制程序包括两部分，一是逆变器的VVVF控制，该技术比较成熟，在此不再详述；二是穿越低电压所必须的升压自动控制程序，也就是下述的升压自动控制模块。自动控制模块接收到电网电压跌落监控模块发出的启动信号后，启动升压自动控制程序，该控制方法如图3所示，其步骤如下：

步骤一：采集整流电路侧电容电压Udc1、升压电路侧电容电压信号Udc及直流母线电流Idc数据；

步骤二：对Udc1的采样值进行递推求平均，为判断装置的退出做数据准备；

步骤三：调用bang-bang控制程序，保证若在升压控制中出现电压超调较大，超过bang-bang限值后，退出升压自动控制模块；否则继续执行步骤三；

步骤四：调用升压控制程序，其控制方法如图4所示；

步骤五：判断是否满足装置退出条件；若满足则退出装置否则返回步骤二；

装置的退出是根据Udc1进行判断的，由于不控整流输出电压Udc1存在一定波动，若退出门限设置不太合适，会导致装置误动作，因此在退出判据中采用Udc1递推求平均后的值；

步骤六：封脉冲，升压自动控制模块退出。

实施例4：在实施例3的基础上，本申请的具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置还在升压电路自动控制模块中集成自检系统，不同于常规意义的开机自检系统，所述自检系统依据设定的时间间隔，比如每天上午10点钟，在电网三相电压正常的条件下，控制每一BOOST并联支路中的绝缘栅双极型晶体管IGBT进行开关动作，并将变频器稳压电源装置的输出电压抬升至略高于正常整流输出的电压水平，以此判断绝缘栅双极型晶体管IGBT、驱动电路及控制模块是否正常工作，以便及时安排检修，该功能是蓄电池等直流电源都不具备的特性。自检系统的控制方法如图5所示，其执行步骤如下：

步骤一：采集整流电路侧电容电压Udc1、升压电路侧电容电压信号Udc及直流母线电流Idc数据；

步骤二：判断电网电压跌落监控模块是否输出启动信号，若输出启动信号，则延时24小时后，再一次启动自检程序；否则执行步骤三。

步骤三：调用bang-bang控制程序，保证若在升压控制中，出现电压超调较大，超过bang-bang限值后，退出升压自动控制模块；否则继续执行步骤三；

步骤四：调用升压控制程序，其控制方法如图4所示；

步骤五：2秒钟后，判断自检是否通过；若满足1.03＜Udc/Udcref＜1.07，(此时，Udc控制目标为1.05pu)则判断为自检通过；否则自检未通过，用户可查看控制器保护发出的故障信号来进一步进行故障排查和安排检修；

步骤六：返回。

本发明各实施例中，BOOST升压部分的IGBT平时处于旁路断开状态，即在三相系统电压正常时刻，BOOST升压环节的IGBT不进行开关动作，电能经三相系统、整流桥、BOOST电路二极管送入直流输出端子。装置中集成了电网电压跌落监控模块，通过坐标变换的方法，实时计算电力系统三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值作为升压电路的启动判据。装置中集成的升压电路自动控制模块，依据电网电压跌落监控模块的实时输出电压值与外部设定的启停门限值，对升压电路进行滞还控制，启停时间反应时间小于100us。启停升压环节，是通过控制IGBT的开关动作，进而启动BOOST电路来实现，BOOST电路可保证逆变电路部分的输入电源电压恒定，其电压值与系统电压未跌落时的工作电压一致。逆变模块的工作状态不受系统电压跌落的影响，其所连接电机的转速、转矩、功率均维持不变。

以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims (8)

1.一种具有低电压穿越能力的异步电机变频器装置，串联于三相电力系统与三相异步电机之间，所述异步电机变频器装置包括整流电路、升压电路和集成功率模块IPM逆变桥；其特征在于：所述三相电力系统连接所述整流电路的输入端，将三相交流电变换成直流电；

所述整流电路的输出端与所述升压电路的输入端相连；

所述升压电路的输出端与所述集成功率模块IPM逆变桥的输入端相连；

所述集成功率模块IPM逆变桥的输出端连接至所述三相异步电机；

在三相电力系统的电压正常时，升压电路中的开关器件不工作，三相电力系统电源经整流电路、升压电路中与开关器件串联的二极管、集成功率模块IPM逆变桥输入到三相异步电机，为该三相异步电机提供电源；

当三相电力系统的电压跌落至预定值时，升压电路中的开关器件工作，升压电路自启动，三相电力系统电源经整流电路整流、升压电路升压后，在通过集成功率模块IPM逆变器输入至三相异步电机，为该三相异步电机提供稳定的电源。

2.根据权利要求1所述的异步电机变频器装置，其特征在于：

所述整流电路包括三相不控整流桥和直流母线支撑电容，所述三相不控整流桥的输入端连接所述三相电力系统，所述直流母线支撑电容并联连接在所述整流电路的输出端的两极之间。

3.根据权利要求1所述的异步电机变频器装置，其特征在于：

所述升压电路为BOOST形式的DCDC升压电路，包括直流电感、三重BOOST并联支路，和输出储能电容，其中每一并联支路均有一开关器件和一二极管串联而成，所述直流电感的一端连接至整流电路的输出端，所述直流电感的另一端分别连接至三重BOOST并联支路，所述三重BOOST并联支路并联所述储能电容连接至所述IPM逆变桥的输入端。

4.根据权利要求3所述的异步电机变频器装置，其特征在于：

三重BOOST电路错频工作；其中所述开关器件为绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极和二极管的阳极相连。

5.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的异步电机变频器装置，其特征在于：

所述异步电机变频器装置还进一步包括不间断电源UPS和变压器，所述不间断电源UPS输入端连接至三相电力系统，其输出端连接至变压器，实现将不间断电源UPS输出的交流电压进行变换，提供一路或多路为220V和/或380V和/或110V交流稳压控制电源。

6.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的异步电机变频器装置，其特征在于：

所述异步电机变频器装置还进一步包括电网电压跌落监控模块，采集三相电力系统电压，通过坐标变换的方法，实时计算三相电压矢量的正序分量，并以电压矢量正序分量值判断所述三相电力系统电源电压跌落是否小于预定值，作为升压电路的启动判据。

7.根据权利要求6所述的异步电机变频器装置，其特征在于：

所述异步电机变频器装置还进一步集成升压电路自动控制模块，该自动控制模块的输入端连接至所述电网电压跌落监控模块的输出端，所述自动控制模块的输出端分别连接至各BOOST并联支路的中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，对升压电路进行自启动控制，自启动时间小于100us。

8.根据权利要求7所述的异步电机变频器装置，其特征在于：

所述异步电机变频器装置在升压电路自动控制模块中还进一步集成自检系统，自检系统依据设定的时间间隔，在电网三相电压正常的条件下，控制每一BOOST并联支路中的开关器件进行开关动作，并将升压电路的输出电压抬升至略高于正常整流输出的电压水平，以此判断开关器件及其驱动电路是否可以正常工作。

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