CN102353851A - 基于直流母线电压的变频器输入缺相检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于直流母线电压的变频器输入缺相检测方法，包括以下步骤：1.对直流母线电压瞬时值U_PN降压和限幅处理后采样得到采样值U_{DC_AD}；2.U_{DC_AD}反应到DSP中得到电压在DSP中的变量U_{DC_DSP}；3.对U_{DC_AD}的高频谐波分量和高频干扰信号滤波得到采样滤波值；4.在一个工频周期内根据采样滤波值反推得到直流母线电压滤波值U_PN滤，对直流母线电压滤波值U_PN滤计算脉动幅度和脉动系数，当脉动幅度和脉动系数达到设定的阀值时则认为发生了输入缺相故障。本发明无需检测三相交流电源的硬件电路，采用变频器中通常要求测量的直流母线电压进行输入缺相是否发生判别，降低了硬件设计复杂度和成本。

Description

基于直流母线电压的变频器输入缺相检测方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种变频器功率单元的输入缺相检测方法。

背景技术

在通用变频器中主要采用交直交电压源型的电气拓扑结构，整流部分采用电容滤波的三相不可控整流电路，在不发生输入缺相的正常情况下工作时，直流母线电压瞬时值U_PN在一个工频周期中将有六个脉动波头；如果在三相交流电源供电系统中其中一相由于熔断器或是空气开关故障而断开时，一个工频周期中只有两个电压脉动波头，此时变频器仍运行则电容C将被反复大范围的充电，它必然导致电容器的损坏，从而造成整台变频器的损坏，这种情况是不允许的。此外，如果负载较轻，虽然不会造成电容的损坏，但直流母线电压的脉动系数增大，对于通常采用恒电压控制功能的变频器，将导致开关占空比和负载电流的振荡，严重影响系统的运行性能。

目前变频器中输入缺相检测主要通过硬件电路的方法实现，导致硬件设计复杂度和成本增加，此外，对于输入缺相发生时对系统的影响不能给出具体的量化指标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于直流母线电压的变频器输入缺相检测方法，能够在输入缺相发生时得到其影响系统运行的具体量化指标，并根据设定的指标确定输入缺相发生时变频器的运行状态。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于直流母线电压的变频器输入缺相检测方法，其特征在于：它依次包括以下步骤：

步骤1，对直流母线电压瞬时值U_PN降压和限幅处理后进行采样得到采样值U_{DC_AD}；

步骤2，采样值U_{DC_AD}反应到DSP中得到电压在DSP中的变量U_{DC_DSP}；

步骤3，对采样值U_{DC_AD}的高频谐波分量和高频干扰信号进行滤波，得到采样滤波值；滤波的通带截止频率和阻带下限截止频率依据要获得的数据进行设定；

步骤4，在一个工频周期内，根据采样滤波值反推得到直流母线电压滤波值U_PN滤，对直流母线电压滤波值U_PN滤计算其脉动幅度和脉动系数，当脉动幅度和脉动系数达到或超过设定的阀值时则认为发生了输入缺相故障。

按上述方案，所述的步骤1具体为：在直流母线取直流母线电压瞬时值U_PN经直流母线电压检测电路降压处理得到U_DC，用于把高电压等级的直流母线电压转换为低压信号，U_DC经信号调理电路后送DSP的AD口采样得到采样值U_{DC_AD}。

按上述方案，所述的步骤1的采样频率为1000-2000Hz。

按上述方案，所述的步骤4采样滤波值反推得到直流母线电压滤波值U_PN滤具体为：U_{DC_DSP}已知，通过U_{DC_DSP}由DSP的AD转化公式转换得到U_{DC_AD}，再通过调理电路的转换关系得到U_DC，由U_DC根据直流母线电压检测电路降压处理的降压比例得到直流母线电压瞬时值U_PN；U_{DC_AD}与U_PN的比例关系即为采样滤波值与直流母线电压滤波值U_PN滤的比例关系。

按上述方案，所述的步骤3通过滤波器的传递函数得到直流母线电压滤波值。

按上述方案，所述的步骤4在一个工频周期内，计算直流母线电压滤波值的最大值U_{PN 滤max}、最小值U_PN滤min和平均值U_PN滤avg，可得到低频纹波信号的脉动幅度ΔU_PN滤＝U_PN滤max-U_PN滤min，脉动系数

本发明的有益效果为：

1、无需检测三相交流电源的硬件电路，采用变频器中通常要求测量的直流母线电压信号进行输入缺相是否发生判别，降低了硬件设计复杂度和成本。

2、可以得到输入缺相发生对系统影响的具体量化指标，即直流母线电压纹波脉动幅度和脉动系数，这是传统的硬件电路检测方法办不到的。

3、可根据实际情况设置具体的量化指标的阀值，从而确定在输入缺相发生时变频器的运行状态，对于一些特殊应用场合(例如不能随意停机)，如果缺相发生对系统运行影响不大时，变频器可根据在未达到设定指标时继续运行。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程图。

图2为直流母线电压瞬时值U_PN检测电路原理图。

图3为直流母线电压U_DC调理电路原理图。

图4为直流母线电压瞬时值U_PN在电源正常时的图形。

图5为直流母线电压瞬时值U_PN在输入缺相时的图形。

图6为低通滤器幅频特性。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的流程图，它依次包括以下步骤：

步骤1，对直流母线电压瞬时值U_PN降压和限幅处理后进行采样得到采样值U_{DC_AD}。具体为：在直流母线取直流母线电压瞬时值U_PN经直流母线电压检测电路降压处理得到U_DC，用于把高电压等级的直流母线电压转换为低压信号，U_DC经信号调理电路后送DSP的AD口采样得到采样值U_{DC_AD}。本实施例的采样频率为1000-2000Hz。

步骤2，采样值U_{DC_AD}反应到DSP中得到电压在DSP中的变量U_{DC_DSP}；

步骤3，对采样值U_{DC_AD}的高频谐波分量和高频干扰信号进行滤波，得到采样滤波值；滤波的通带截止频率和阻带下限截止频率依据要获得的数据进行设定。滤波时通过滤波器的传递函数进行软件滤波。

步骤4，在一个工频周期内，根据采样滤波值反推得到直流母线电压滤波值U_PN滤，对直流母线电压滤波值U_PN滤计算其脉动幅度和脉动系数，当脉动幅度和脉动系数达到或超过设定的阀值时则认为发生了输入缺相故障。采样滤波值反推得到直流母线电压滤波值U_PN滤，具体为：U_{DC_DSP}已知，通过U_{DC_DSP}由DSP的AD转化公式转换得到U_{DC_AD}，再通过调理电路的转换关系得到U_DC，由U_DC根据直流母线电压检测电路降压处理的降压比例得到直流母线电压瞬时值U_PN；U_{DC_AD}与U_PN的比例关系即为采样滤波值与直流母线电压滤波值U_PN滤的比例关系。在一个工频周期内，计算直流母线电压滤波值的最大值U_PN滤max、最小值U_PN滤min和平均值U_PN滤avg，可得到低频纹波信号的脉动幅度ΔU_PN滤＝U_PN滤max-U_PN滤min，脉动系数

本实施例在由TMS320F28335型DSP控制的变频器调速系统中得到验证。

本实施例的原理为：三相全波不可控整流输出电压瞬时值U_PN为每个单相电源全波整流输出电压瞬时值U_a、U_b、U_c相加。

设U_a＝|U_ksin(ωt)|                                               (1)，

$U_b=\left|U_k\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\right|---\left(2\right),$

$U_c=\left|U_k\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\right|---\left(3\right),$

上述式中U_k为峰值电压，ω为电源角频率，t为时间。

将式(1)、(2)、(3)分解傅里叶级数可得：

U_a＝U_k0+U_k2sin(2ωt)+U_k4sin(4ωt)+……                    (4)，

$U_b=U_{k0}+U_{k2}\sin (2\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+U_{k4}\sin (4\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+\·\·\·\·\·\·---\left(5\right),$

$U_c=U_{k0}+U_{k2}\sin (2\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})+U_{k4}\sin (4\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})+\·\·\·\·\·\·---\left(6\right),$

上述式中U_k0为基波幅值，U_k2为二次谐波幅值，U_k4为四次谐波幅值；

由式(4)、(5)和(6)叠加可得三相输出电压的瞬时值：

U_PN＝3U_k0+3U_k6sin(6ωt)+……                               (7)

式(7)表示三相输出电压除直流分量之外含6次谐波及6次倍数谐波，从图4中可看出在电源正常时主要包含300Hz的谐波信号。当三相交流电缺相时，式(4)、式(5)和式(6)两两相加，产生2、4次谐波的整数倍分量，即出现100Hz、200Hz等谐波，从图5中可看出在输入缺相时主要包含100Hz的谐波信号。因此通过检测三相输出电压的瞬时值可得到纹波脉动幅度、脉动系数和频率，从而可判断变频器输入电源是否发生缺相。

在一个工频周期内，对采样滤波值求取最大值、最小值和平均值，可得到直流母线电压瞬时值纹波脉动幅度ΔU_PN＝U_PNmax-U_PNmin，脉动系数对滤波后数据通过单调性判别可以得到脉动的频率，从而可判断输入是否发生缺相及缺相发生时对系统运行影响的具体量化指标。

硬件信号处理过程：直流母线电压瞬时值U_PN经图2所示的直流母线电压检测电路(即差分比例运算电路)进行降压处理，即

本实施例中R₁＝4MΩ，R₂＝10KΩ，则

(k为比例系数)，再经过图3所示的限幅和跟随电路后将电压信号送入DSP的AD口进行采样得到采样值U_{DC_AD}。

软件处理过程步骤：

(1)在一个工频周期内按1ms的采样时间间隔采样U_{DC_AD}，U_{DC_AD}在DSP内的变量为U_{DC_DSP}，并根据DSP的AD公式，系统中3V对应2¹²-1，即

求取图3中的U_{DC_AD}；再根据U_{DC_AD}与U_DC的关系得到U_DC。

(2)根据图2的比例关系，由硬件信号处理过程分析有

得到的直流母线电压的瞬时值U_PN。

(3)对采样值U_{DC_AD}的高频谐波分量和高频干扰信号进行滤波。这里主要检测100Hz纹波的脉动幅度、脉动系数和频率，因此需要设计低通滤波器模块实现对高频谐波和高频干扰信号进行滤波。因此，设滤波器的通带截止频率f_p＝100Hz，阻带下限截止频率f_s＝300Hz，采样频率为1000Hz，从而可得到滤波器的传递函数如式(8)所示，滤波器的幅频特性如图6所示，从图6中可看出滤波器对高频信号有较好的滤波特性。

$H\left(z\right)=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}=\frac{0.1041+0.2082\·z^{-1}+{0.1041z}^{-2}}{1-{0.9034z}^{-1}+{0.3197z}^{-2}}---\left(8\right),$

式(8)中H(z)为滤波器的传递函数，Y(z)为输出信号，X(z)为输入信号；z为离散化变量。

滤波器实现就是在DSP芯片中实现式(8)的传递函数，为了便于实现，将式(8)改为式(9)所示的差分方程的形式：

yn(0)＝(1041·xn(0)+2082·xn(1)+1041·xn(2)+9034·yn(1)-3197·yn(2))/10000  (9)，

式(9)中，xn(0)为t时刻的U_{DC_AD}，xn(1)为t-1时刻的U_{DC_AD}，xn(2)为t-2时刻的U_{DC_AD}，yn(0)为t时刻的采样滤波值，yn(1)为t-1时刻的采样滤波值，yn(2)为t-2时刻的采样滤波值，在运算过程中把系数均放大10000倍，滤波器运算结束后再缩小10000倍，使计算的结果尽量准确。

得到采样滤波值后，由于U_{DC_AD}与U_PN的比例关系即为采样滤波值与直流母线电压滤波值U_PN滤的比例关系，根据此时已知的U_{DC_AD}与U_PN的比例关系得到直流母线电压滤波值U_PN滤。

(4)由前述公式可以得到直流母线电压的脉动幅度和脉动系数，具体计算方法为：在一个工频周期内，计算直流母线电压滤波值的最大值U_PN滤max、最小值U_PN滤min和平均值U_{PN滤 avg}，可得到低频纹波信号的脉动幅度ΔU_PN滤＝U_PN滤max-U_PN滤min，脉动系数

当脉动幅度和脉动系数达到设定的阀值时则认为发生了输入缺相故障。

Claims (6)

1.基于直流母线电压的变频器输入缺相检测方法，其特征在于：它依次包括以下步骤：

步骤1，对直流母线电压瞬时值U_PN降压和限幅处理后进行采样得到采样值U_{DC_AD}；

步骤2，采样值U_{DC_AD}反应到DSP中得到电压在DSP中的变量U_{DC_DSP}；

步骤3，对采样值U_{DC_AD}的高频谐波分量和高频干扰信号进行滤波，得到采样滤波值；滤波的通带截止频率和阻带下限截止频率依据要获得的数据进行设定；

步骤4，在一个工频周期内，根据采样滤波值反推得到直流母线电压滤波值U_PN滤，对直流母线电压滤波值U_PN滤计算其脉动幅度和脉动系数，当脉动幅度和脉动系数达到或超过设定的阀值时则认为发生了输入缺相故障。

2.根据权利要求1所述的变频器输入缺相检测方法，其特征在于：所述的步骤1具体为：在直流母线取直流母线电压瞬时值U_PN经直流母线电压检测电路降压处理得到U_DC，用于把高电压等级的直流母线电压转换为低压信号，U_DC经信号调理电路后送DSP的AD口采样得到采样值U_{DC_AD}。

3.根据权利要求2所述的变频器输入缺相检测方法，其特征在于：所述的步骤1的采样频率为1000-2000Hz。

4.根据权利要求2所述的变频器输入缺相检测方法，其特征在于：所述的步骤4采样滤波值反推得到直流母线电压滤波值U_PN滤具体为：U_{DC_DSP}已知，通过U_{DC_DSP}由DSP的AD转化公式转换得到U_{DC_AD}，再通过调理电路的转换关系得到U_DC，由U_DC根据直流母线电压检测电路降压处理的降压比例得到直流母线电压瞬时值U_PN；U_{DC_AD}与U_PN的比例关系即为采样滤波值与直流母线电压滤波值U_PN滤的比例关系。

5.根据权利要求3或4所述的变频器输入缺相检测方法，其特征在于：所述的步骤3通过滤波器的传递函数得到直流母线电压滤波值。

6.根据权利要求4所述的变频器输入缺相检测方法，其特征在于：所述的步骤4在一个工频周期内，计算直流母线电压滤波值的最大值U_PN滤max、最小值U_PN滤min和平均值U_PN滤avg，可得到低频纹波信号的脉动幅度ΔU_PN滤＝U_PN滤max-U_PN滤min，脉动系数

Images