CN102497154A - 一种变频器瞬时掉电不停机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变频器瞬时掉电不停机的方法，增设一个母线电压控制器，该母线电压控制器的设计是基于矢量控制的，在整个控制过程中，维持励磁电流分量不变，控制器的输出是转矩电流，当变频器突然掉电时，在电机与母线电压间的能量传输主要通过PI控制器输出的转矩电流来控制。如果PI参数选取得当，则在电机正常运行情况下突然掉电时，母线电压应该维持在给定值，直至电机速度降低到不足以维持母线电压，或者再次来电，母线电压回归至正常值。需要注意的是，为了使母线电压控制器切换回速度控制器时，电流不发生突变，则在母线电压控制器作用期间，要将电机的当前转速时时传递给速度控制器，从而实现两者的平稳切换。

Description

一种变频器瞬时掉电不停机的方法

技术领域

本发明设计变频器控制技术，具体涉及一种矢量控制下通过一种母线电压控制器的作用实现变频器瞬时掉电不停机的方法。

背景技术

变频器正常运行过程中，采用的是三相工频电源，当电网发生波动，如电压短时间内突然失电上电或者由于较大负载突然投入引起电网电压短暂下降时，如果不采取任何措施，由于电机侧的负载以及变频器自身的损耗，电容上的能量会很快的消耗，使其电压迅速下降，当母线电压低于变频器自身的欠压点时，就会导致变频器进入停机模式，然后确认母线电压达到启动电压后，进入再次启动状态，而对于一些需要连续运行的工业生产场合，由于电网的波动引起的变频器停机再启动，会影响其正常的生产运行，造成不必要的经济损失，所以需要采取一些措施避免此类情况的出现。

异步电机矢量控制中，仿照他励式直流电机的控制方式，将异步电机的定子电流分解为励磁电流和转矩电流两部分，通过励磁电流分量控制电机运行时的磁通，通过转矩电流分量控制电机运行时的输出转矩。在实际的控制系统中，励磁电流分量是固定的，一般取额定空载励磁电流，而转矩电流分量决定了电机的运行状态，当转矩电流为正时，电机输出正向转矩，电能从电源侧流向电机侧，当转矩电流为负时，电机输出负转矩，电能由电机侧回馈回电源侧，当变频器采用不控整流时，则由电机回馈的能量会积聚在母线电容上，从而使母线抬高。

所以当电网电压出现瞬时掉电时，可以通过一定的控制策略，将运行中的电机上的动能反馈回来，使母线电压维持在某一个固定的值，等待电网电压回复正常，母线电压维持的时间与掉电前电机的运行状态有关。在电机回馈能量能够继续维持母线电容电压的时间内，电网电压回复正常，变频器回复到正常运行，这样就使得变频器能够不停机维持持续运行，从而避免电网瞬时失电或波动下变频器进入停机状态。

对于母线电压的控制，涉及到电机参数，变频器参数，电机运行状态等各方面的值，母线电压控制器需要对这些量进行综合考虑。电网瞬时掉电期间，电机由于回馈能量，其转速是不断下降的，此时电机是一直处于动态过程中，如何使母线电压控制器在不同转速下都有较好的控制性能也是一个需要研究的问题。目前一些涉及到该方面的文献也主要是通过根据不同转速设定不同的频率下降速度来实现，并没有给出完整的控制模型。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种变频器瞬时掉电不停机的方法，能够在瞬时失电情况下维持变频器继续运行。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种变频器瞬时掉电不停机的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)增设母线电压控制器，在母线电压控制器中设定接入和切除的控制命令，由下式表示：

$\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}},U_L,U_H)=\left\{\begin{array}{cc}0& U_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;U_H\\ 1& U_{\mathrm{dc}}\&le;U_L\\ 0& U_L<U_{\mathrm{dc}}<U_H,\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}-},U_L,U_H)=0\\ 1& U_L<U_{\mathrm{dc}}<U_H,\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}-},U_L,U_H)=1\end{array}\right.,$

其中U_L为母线电压控制器接入电压，U_H为母线电压控制器关断值，U_dc为当前时刻母线电压采样值，U_dc-为上一时刻母线电压采样值；MARK为母线电压控制器接入控制命令，其值为1，则表明母线电压出现跌落，接入母线电压控制器，其值为0，则表明母线电压正常或正在回复到正常值，切掉母线电压控制器；

2)在矢量控制方法下，当变频器输入侧突然掉电时，母线电压由于电机及变频器自身的损耗开始下降，当采样的母线电压值低于U_L，接入母线电压控制器；

3)母线电压控制器接通后，矢量控制中的转矩电流给定由速度控制器切换为母线电压控制器输出，在该控制器的作用下，电机根据当前的运行状态，将部分动能回馈到母线电容上，维持母线电压为U_L；

母线电压控制器采用PI控制器模式，在电机的转速的变化率远远低于转矩的响应速度的前提下，按照相对稳态的原则建立电机与变频器母线电容之间的能量传递模型，维持励磁电流分量不变，在电机与母线电压间的能量传输通过输出的转矩电流来控制；

4)再次上电时，母线电压上升至超过U_H后，将转矩电流给定由母线电压控制器切换为速度控制器，变频器进入正常运行状态。

按上述方案，所述母线电压控制器建立的能量传递模型的传递函数为：

$\frac{u_{\mathrm{dc}}\left(s\right)}{u_{\mathrm{dc}}^{*}\left(s\right)}=\frac{(K_{p}s+K_i)n_p{L}_m^2{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m}{L_r{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^{*}{s}^2+(K_{p}s+K_i)n_p{L}_m^2{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m},$

式中，u_dc为当前母线电压值；s为复频率；

为母线电压控制器接通电压，对应母线电压控制器接入电压U_L；L_m为电机的励磁电感；i_m1为定子侧励磁电流；Ω_m为电机实际角速度；n_p为极对数；L_r为电机的转子电感；C为母线电容；K_p和K_i为控制器的参数；

其中 $\left\{\begin{array}{c}{K}_p=k_1\frac{{\mathrm{\&omega;}}_M{L}_r{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^{*}}{L_m^2{I}_m{\mathrm{\&Omega;}}_m}\\ K_i=k_2\frac{{\mathrm{\&omega;}}_M{L}_r{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^{*}}{L_m^2{I}_m{\mathrm{\&Omega;}}_m}\end{array}\right.,$ 式中ω_M为系统的调制频率；I_m为励磁电流环输入值；k₁、k₂为两个常数系数，参照PI参数设计的原则进行选取。

按上述方案，所述的母线电压控制器接入电压U_L大于变频器欠压点；母线电压控制器关断值U_H大于母线电压控制器接入电压U_L。

本发明的工作原理为：电容上的电压与电流的关系为：

$i_c=C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right),$

其中，i_c为流过母线电容上的电流，u_dc为母线电压，C为母线电容。当电容上有电流时，其功率为

P_c＝u_dci_c                         (2)，

其中，P_c为注入母线电容的功率。

结合式(1)(2)，则有

$P_c=u_{\mathrm{dc}}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right),$

转子磁场定向的矢量控制下，采用恒功率坐标变换有

$\left\{\begin{array}{c}{T}_e=n_p\frac{L_m}{L_r}{i}_{t1}{\mathrm{\&psi;}}_r\\ {\mathrm{\&psi;}}_r=\frac{L_m}{T_r\hat{p}+1}{i}_{m1}\end{array}\right.---\left(4\right),$

其中，T_e为电机的电磁转矩，n_p为极对数，L_m为电机的励磁电感，L_r为电机的转子电感，i_t1为定子侧转矩电流，i_m1为定子侧励磁电流，Ψ_r为转子磁链，

为微分因子。

当电机的励磁电流i_m为稳态时，则有

ψ_r＝L_mi_m                         (5)，

结合式(4)(5)则有，

$T_e=n_p\frac{{L_m}^2}{L_r}{i}_{t1}{i}_{m1}---\left(6\right),$

在某一转速下，电机吸收的功率为

$P_m=T_e{\mathrm{\&Omega;}}_m=n_p\frac{{L_m}^2}{L_r}{i}_{t1}{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m---\left(7\right),$

其中，Ω_m为电机的实际角速度。

式(7)中，当i_t1为负值时，电机即处于发电状态，瞬时停电过程中，维持励磁电流稳定，通过调节电机的转矩电流，使电机反馈的能量通过变频器输入母线电容。由于此时电机反馈的能量主要用来维持母线电压，结合式(3)(7)，有

$n_p\frac{{L_m}^2}{L_r}{i}_{t1}{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m=u_{\mathrm{dc}}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right),$

由于电机参数与励磁电流都为定值，故通过式(8)可以看出，母线电压u_dc的变化主要与转矩电流分量i_t1和电机实际角速度Ω_m。但是由于u_dc同时存在微分项与非微分项，而电机实际角速度Ω_m也是在不断变化的，这使得系统呈现出非线性化形式，要建立线性的控制模型，就需要在该基础上进行一些简化处理。

从各变量的变化速度的角度分析，三个变量中，转矩电流分量有着较快的变化率，如矢量控制中对于转矩的动态响应性要求是几到十几个毫秒，而由于电机本身转动惯量的影响，电机的转速的变化率要远远低于该值，故可以认为在足够短的时间内，电机的转速是一个定值。

基于稳态的角度分析，当在足够短的时间内，能够通过控制方式使母线电压u_dc进入稳态时，其值应该稳定在某一设定值

附近，在稳定时，式(8)右端u_dc的非微分项并不会有太大变化。转矩电流分量i_t1主要与母线电压变化率有关，故可将式(8)近似的等效为

$n_p\frac{{L_m}^2}{L_r}{i}_{t1}{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m=u_{\mathrm{dc}}^{*}C\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}---\left(9\right),$

根据式(3)(6)(7)(9)，则可以建立母线电压控制模型。

本发明的有益效果为：

1、本发明建立了母线电压控制系统模型，明确了电机转速与变频器母线电容之间能量传递的关系，物理意义清晰明确，模型的建立为控制器的设计提供了方向与理论依据。

2、本发明的母线电压控制器参数包含了电机参数与变频器参数，对应不同的控制系统，只要在程序中给出对应的电机参数与变频器母线电容值，就可以得到该系统对应的控制器参数值，参数的计算在程序内部完成，与目前一些针对不同的系统，需要通过外部设定不同控制器参数的做法，该方法具有着较好的通用性。

3、本发明的控制器是变参数的PI控制器，其计算中包含了电机的当前转速，控制器参数根据电机的当前转速不断进行更新，从而理论上使控制器在整个速度运行范围内，都能有着较好的调节性能。

附图说明

图1为母线电压控制系统结构图。

图2为母线电压控制器仿真模型示意图。

图3为变频器三相输入电压中一相的瞬时失电波形。

图4为带母线电压控制器变频器空载运行瞬时失电母线电压仿真波形。

图5为带母线电压控制器变频器空载运行瞬时失电电机转速仿真波形。

图6为带母线电压控制器变频器带载运行瞬时失电母线电压仿真波形。

图7为带母线电压控制器变频器带载运行瞬时失电电机转速仿真波形。

图8为带母线电压控制器变频器空载运行瞬时失电母线电压与电机转速实验波形。

具体实施方式

变频器瞬时掉电不停机的方法包括以下步骤：

1)增设母线电压控制器，在母线电压控制器中设定接入和切除的控制命令，由下式表示：

$\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}},U_L,U_H)=\left\{\begin{array}{cc}0& U_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;U_H\\ 1& U_{\mathrm{dc}}\&le;U_L\\ 0& U_L<U_{\mathrm{dc}}<U_H,\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}-},U_L,U_H)=0\\ 1& U_L<U_{\mathrm{dc}}<U_H,\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}-},U_L,U_H)=1\end{array}\right.,$

其中U_L为母线电压控制器接入电压，U_H为母线电压控制器关断值，U_dc为当前时刻母线电压采样值，U_dc-为上一时刻母线电压采样值；MARK为母线电压控制器接入控制命令，其值为1，则表明母线电压出现跌落，接入母线电压控制器，其值为0，则表明母线电压正常或正在回复到正常值，切掉母线电压控制器；

2)在矢量控制方法下，当变频器输入侧突然掉电时，母线电压由于电机及变频器自身的损耗开始下降，当采样的母线电压值低于U_L，接入母线电压控制器；

3)母线电压控制器接通后，矢量控制中的转矩电流给定由速度控制器切换为母线电压控制器输出，在该控制器的作用下，电机根据当前的运行状态，将部分动能回馈到母线电容上，维持母线电压为U_L；

母线电压控制器采用PI控制器模式，在电机的转速的变化率远远低于转矩的响应速度的前提下，按照相对稳态的原则建立电机与变频器母线电容之间的能量传递模型，维持励磁电流分量不变，在电机与母线电压间的能量传输通过输出的转矩电流来控制；

4)再次上电时，母线电压上升至超过U_H后，将转矩电流给定由母线电压控制器切换为速度控制器，变频器进入正常运行状态。

图1为母线电压控制系统结构图，传递函数为：

$\frac{u_{\mathrm{dc}}\left(s\right)}{u_{\mathrm{dc}}^{*}\left(s\right)}=\frac{(K_{p}s+K_i)n_p{L}_m^2{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m}{L_r{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^{*}{s}^2+(K_{p}s+K_i)n_p{L}_m^2{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m},$

式中，u_dc为当前母线电压值；s为复频率；

为母线电压控制器接通电压，对应母线电压控制器接入电压U_L；L_m为电机的励磁电感；i_m1为定子侧励磁电流；Ω_m为电机实际角速度；n_p为极对数；L_r为电机的转子电感；C为母线电容；K_p和K_i为控制器的参数。

s是进行拉氏变换的变量，s＝deta+jw，其具体的解释可以参见部分复变函数教材，此处名称为邱关源主编的《电路》p289-290所采用的说法。

其中 $\left\{\begin{array}{c}{K}_p=k_1\frac{{\mathrm{\&omega;}}_M{L}_r{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^{*}}{L_m^2{I}_m{\mathrm{\&Omega;}}_m}\\ K_i=k_2\frac{{\mathrm{\&omega;}}_M{L}_r{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^{*}}{L_m^2{I}_m{\mathrm{\&Omega;}}_m}\end{array}\right.,$ 式中ω_M为系统的调制频率；I_m为励磁电流环输入值；k₁、k₂为两个常数系数，参照PI参数设计的原则进行选取，由于母线电压变化率不是特别高，故两参数可适当的取小一些。

为给定值随时间变化的函数，故采用小写形式，而为建模过程中假设的母线电压稳定值，故采用大写形式。实际运行中，

和的值是相等的，其都等于母线电压控制器接入值U_L，即传递函数中的则为时域下

经过拉升变换后转换为频域下的函数形式。同理，u_dc(t)即为U_dc，传递函数中的u_dc(s)为时域下u_dc(t)经过拉升变换后转换为频域下的函数形式。

该母线电压控制器的设计是基于矢量控制的，在整个控制过程中，维持励磁电流分量不变，控制器的输出是转矩电流，当变频器突然掉电时，在电机与母线电压间的能量传输主要通过PI控制器输出的转矩电流来控制。如果PI参数选取得当，则在电机正常运行情况下突然掉电时，母线电压应该维持在给定值，直至电机速度降低到不足以维持母线电压，或者再次来电，母线电压回归至正常值。需要注意的是，为了使母线电压控制器切换回速度控制器时，电流不发生突变，则在母线电压控制器作用期间，要将电机的当前转速时时传递给速度控制器，从而实现两者的平稳切换。

基于以上思路，在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型进行验证，仿真模型中采用的电机参数为：额定功率4kW，极对数2，额定电压220V/50Hz，额定转速1440r/min，定子电阻0.732Ω，转子电阻0.816Ω，定子和转子电感为133.5mH，互感为127.4mH。仿真模型结构参照图2进行搭建。

具体仿真过程为，启动电机进入正常运行状态，在1.5s的时候断掉输入出三相电源，2.5s(负载时取2s)的时候接通电源。录取三相输入电压，图3所示为其中一相的电压波形，三相对称情况下，一相的电压瞬时失电波形已经足以说明问题。录取电机在空载和带载情况下突然掉电上电的母线电压和电机转速波形，如图4、5、6、7所示。由图4和图6可知，在掉电期间，不论是空载还是带载，母线电压都能较为稳定的维持在设定电压附近，表现出较好的控制性能。通过图4、5与图6、7的对比反映出，空载和发在情况下，母线电压与电机转速的变化趋势相同，负载的影响主要体现在电机运行速度的下降速速率上，负载越大，掉电期间，电机的转速下降也越快，控制器作用下的母线电压维持时间也越短。

基于以上分析，在实际系统中进行实验验证，实验平台采用的TMS320F28335型DSP控制的矢量控制变频器与7.5kWABB变频调速异步电机拖动15kW直流电机的实验机组组成。具体实验步骤如下，接通变频器输入侧电源，将电机加速运行至1500r/min，断开输入侧的电源，然后在短时间内再迅速的接通输入侧电源，模拟实际系统中的瞬时失电状态。将测量得得母线电压值和转速值以数组的方式存储起来，分别以380V额定电压值和1500r/min转速值为基值，将母线电压和转速转换为百分比形式，然后利用matlab将两组数据生成为两者的波形图。由于空载与负载变化趋势相同，且空载情况下，母线电压持续时间较长，更易于体现出控制器作用下的母线电压和转速变化特点，故这里只给出了空载情况下的实验波形图，如图8所示。

实验结果显示，变频器突然掉电时，在该控制器作用下，将电机的动能回馈至母线电容，延长母线电压在某一高于变频器欠压点的电压的维持时间，在其电平维持期间，变频器电源重新上电，则变频器可以实现瞬时掉电不停机的状态。实验结果证明了该方法是有效的。

Claims (3)

1.一种变频器瞬时掉电不停机的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)增设母线电压控制器，在母线电压控制器中设定接入和切除的控制命令，由下式表示：

$\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}},U_L,U_H)=\left\{\begin{array}{cc}0& U_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;U_H\\ 1& U_{\mathrm{dc}}\&le;U_L\\ 0& U_L<U_{\mathrm{dc}}<U_H,\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}-},U_L,U_H)=0\\ 1& U_L<U_{\mathrm{dc}}<U_H,\mathrm{MARK}(U_{\mathrm{dc}-},U_L,U_H)=1\end{array}\right.,$

其中U_L为母线电压控制器接入电压，U_H为母线电压控制器关断值，U_dc为当前时刻母线电压采样值，U_dc-为上一时刻母线电压采样值；MARK为母线电压控制器接入控制命令，其值为1，则表明母线电压出现跌落，接入母线电压控制器，其值为0，则表明母线电压正常或正在回复到正常值，切掉母线电压控制器；

2)在矢量控制方法下，当变频器输入侧突然掉电时，母线电压由于电机及变频器自身的损耗开始下降，当采样的母线电压值低于U_L，接入母线电压控制器；

3)母线电压控制器接通后，矢量控制中的转矩电流给定由速度控制器切换为母线电压控制器输出，在该控制器的作用下，电机根据当前的运行状态，将部分动能回馈到母线电容上，维持母线电压为U_L；

母线电压控制器采用PI控制器模式，在电机的转速的变化率远远低于转矩的响应速度的前提下，按照相对稳态的原则建立电机与变频器母线电容之间的能量传递模型，维持励磁电流分量不变，在电机与母线电压间的能量传输通过输出的转矩电流来控制；

4)再次上电时，母线电压上升至超过U_H后，将转矩电流给定由母线电压控制器切换为速度控制器，变频器进入正常运行状态。

2.根据权利要求1所述的变频器瞬时掉电不停机的方法，其特征在于：所述母线电压控制器建立的能量传递模型的传递函数为：

$\frac{u_{\mathrm{dc}}\left(s\right)}{u_{\mathrm{dc}}^{*}\left(s\right)}=\frac{(K_{p}s+K_i)n_p{L}_m^2{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m}{L_r{\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}^{*}{s}^2+(K_{p}s+K_i)n_p{L}_m^2{i}_{m1}{\mathrm{\&Omega;}}_m},$

式中，u_dc为当前母线电压值；s为复频率；为母线电压控制器接通电压，对应母线电压控制器接入电压U_L；L_m为电机的励磁电感；i_m1为定子侧励磁电流；Ω_m为电机的实际角速度；n_p为极对数；L_r为电机的转子电感；C为母线电容；K_p和K_i为控制器的参数；

其中 $\left\{\begin{array}{c}{K}_p=k_1\frac{{\mathrm{\&omega;}}_M{L}_{r}C{U}_{\mathrm{dc}}^{*}}{L_m^2{I}_m{\mathrm{\&Omega;}}_m}\\ K_i=k_2\frac{{\mathrm{\&omega;}}_M{L}_{r}C{U}_{\mathrm{dc}}^{*}}{L_m^2{I}_m{\mathrm{\&Omega;}}_m}\end{array}\right.,$ 式中ω_M为系统的调制频率；I_m为励磁电流环输入值；k₁、k₂为两个常数系数，参照PI参数设计的原则进行选取。

3.根据权利要求1所述的变频器瞬时掉电不停机的方法，其特征在于：所述的母线电压控制器接入电压U_L大于变频器欠压点；母线电压控制器关断值U_H大于母线电压控制器接入电压U_L。

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