CN103166441A - 一种带母线电压预测的过电压抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带母线电压预测的过电压抑制方法，属于电力电子的技术领域。所述过电压抑制方法：变换器的控制器通过采集母线电压以及电机回馈的实时功率，根据当前预测时间设定的过压抑制点运算预测回馈功率限值，在电机回馈的实时功率超过预测回馈功率限制时，控制器内的频率控制单元根据控制器内的调节器输出的频率调节量调节变换器的输出频率，使输出频率发生改变，既使之往电动方向运转，从而抑制母线上产生过电压。本发明不仅仅以采集的母线电压为监测量，同时以电机回馈的实时功率为监测量，再结合设置的预测时间段、过压抑制点以及运算得到的预测回馈功率限制，能有效的预测并提前抑制母线过电压的发生。

Description

一种带母线电压预测的过电压抑制方法

技术领域

本发明公开了一种带母线电压预测的过电压抑制方法，属于电力电子的技术领域。

背景技术

随着社会的发展，电机的运用越来越广泛，电机调速技术变的尤为重要，变频调速领域的产品如变频器的应用也越来越广泛，但是由于一般变换器（如变频器）本身母线上的电容都很大，变频调速系统在减速过程中，或者电机卸载过程中，电机处于发电状态时，对母线电压的控制为一大惯性环节，存在较大的滞后，容易造成变换器过压报警或过压故障。

经常发生过压现象，会对正常生产带来诸多不便，为了避免此类现象的发生，改善性能，不得不加装制动电阻，将电机的能量消耗在制动电阻上。但是这将造成使用成本上升，系统可靠性降低，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。

针对上述问题，传统的过压失速抑制功能在一定程度上抑制母线电压，这种方法是通过在一个运算周期内，判断母线电压大小，当母线电压超过过压抑制点之后改变输出频率，但是若过压抑制点设置的过低，能量损耗大；若过压抑制点设置的过高，则在控制上容易超调，控制效果很不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种带母线电压预测的过电压抑制方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种带母线电压预测的过电压抑制方法，由变换器处理采集的母线电压得到电机运行的频率信号，所述变换器包括控制器、逆变单元，所述带母线电压预测的过电压抑制方法包括如下步骤：

步骤1，在控制器内设定母线过压抑制点U_bus*；

步骤2，在控制器内设置预测时间段△T,在当前运算周期T内：

步骤2-1，通过电压采样装置采样母线电压U_bus，通过电流采样装置采样电机相电流I，控制器运算电机相电压U；

步骤2-2，控制器根据电机的相电压U以及电机的相电流I运算出电机回馈的实时功率

步骤2-3，控制器运算出母线过压抑制点U_bus*与采样的母线电压U_bus的差值△U_dc；

步骤2-4，控制器根据母线电压U_bus、步骤2-3所述的差值△U_dc运算一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M；

步骤2-5，控制器运算一个预测时间段△T内，步骤2-2所述的实时功率

与步骤2-4所述的预测回馈功率限值P_M的差值△P；

步骤2-6，控制器根据步骤2-5所述的差值△P运算得到频率调节量df，调节输出频率f，从而改变逆变单元的输出频率，进而调节电机回馈的实时功率

步骤3，在每一个运算周期T内重复步骤2。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明不仅仅以采集的母线电压为监测量，同时以电机回馈的实时功率为监测量，再结合设置的预测时间段、过压抑制点以及运算得到的预测回馈功率限制，能有效的预测并提前抑制母线过电压的发生。

附图说明

图1为带母线电压预测的过电压抑制方法的信号控制图。

图2为带母线电压预测的过电压抑制方法的流程图。

图3为两电平逆变单元的结构。

图4为实验测的的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

一般变换器包括逆变单元以及控制器，逆变单元与电机连接来控制电机的运行。

控制器如图1所示，包括三个运算单元、一个调节器、一个频率控制单元以及一个闭环控制单元。第一运算单元运算母线过压抑制点U_bus*与采样的母线电压U_bus的差值△U_dc。第二运算单元根据母线电压U_bus、差值△U_dc运算一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M。第三运算单元运算一个预测时间段△T内实时功率与预测回馈功率限值P_M的差值△P。调节器根据差值△P运算得到频率调节量df。频率控制单元根据df调节输出频率f，将输出频率f送到闭环控制单元中，闭环控制单元输出控制逆变单元的控制信号，从而改变逆变单元的输出频率（频率控制单元的输出频率与逆变单元的输出频率相同），进而调节电机回馈的实时功率

图2所示，一种带母线电压预测的过电压抑制方法包括如下步骤：

步骤1，在控制器内设定母线过压抑制点U_bus*；

步骤2，在控制器内设置预测时间段△T,在当前运算周期T内：

步骤2-1，通过电压采样装置采样母线电压U_bus，通过电流采样装置采样电机相电流I，控制器运算电机相电压U；

步骤2-2，控制器根据电机的相电压U以及电机的相电流I运算出电机回馈的实时功率

步骤2-3，控制器运算出母线过压抑制点U_bus*与采样的母线电压U_bus的差值△U_dc；

步骤2-4，控制器根据母线电压U_bus、步骤2-3所述的差值△U_dc运算一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M；

步骤2-5，控制器运算一个预测时间段△T内步骤2-2所述的实时功率

与步骤2-4所述的预测回馈功率限值P_M的差值△P；

步骤2-6，控制器根据步骤2-5所述的差值△P运算得到频率调节量df，调节输出频率f,从而改变逆变单元输出频率，进而调节电机回馈的实时功率

步骤3，在每一个运算周期T内重复步骤2。

在这里，母线过压抑制点U_bus*与母线过压值之间有一定的裕量，一般设置在200V左右。

若当前运算周期T内电机回馈的实时功率

与一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M的差值△P大于0时，直流母线上的电压将超过母线过压抑制点U_bus*，则调节器输出频率调节量df至控制器中的频率控制单元，频率控制单元调节变换器当前输出频率f，将输出频率f送到闭环控制单元中，闭环控制单元输出逆变单元的控制信号，从而改变逆变单元的输出频率，进而减小电机回馈的实时功率；

若当前运算周期T内电机回馈的实时功率

与一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M的差值△P小于0时，直流母线上的电压未超过过压抑制点U_bus*，调节器输出频率调节量df至控制器中的频率控制单元，df由当前值向趋于0的方向调节。

实施例一：

以7.5Kw变频器带7.5Kw电机情况为例，在控制器内设置母线过电压抑制点U_bus*为700V，预测时间△T为8ms，母线电容值C为1100μF，设置减速时间为3s,使电机由当前运行的频率50Hz运行到目标频率20Hz，此时的频率控制单元内设置的频率f0为一下降函数，而这种情况下就可能会出现母线过压的情况，因此需要用频率调节量df来调节频率控制单元的输出频率f,此时f=f0+df，这样可以防止频率f0下降过快而导致与电机的运行频率差过大，引起母线过电压。

具体为：通过第一运算单元运算过压抑制点U_bus*与采样母线电压U_bus的差值△U_dc；第二运算单元结合△U_dc以及预测时间△T，根据公式运算一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M；同时通过电流采样单元采样电机三相电流Ia、Ib、Ic；

控制器根据母线电压U_bus以及变换器逆变单元内的开关管的相关函数，运算电机的三相电压Ua、Ub、Uc，或者通过电压采样单元采样电机的线电压，然后再经运算得到电机三相电压Ua、Ub、Uc，获得电机相电压U的方法并不作限定，此处以前种方式为例。

请参阅图3，变换器内的逆变单元以两电平为例，控制器根据母线电压U_bus以及逆变单元的上开关管VT1、VT3、VT5的相关函数（即开关管运行时的占空比S1、S2、S3），得到Ua=U_dc*S1；Ub=U_dc*S2；Uc=U_dc*S3。

根据采样获得的三相电流Ia、Ib、Ic，以及运算得到的三相电压Ua、Ub、Uc，分别对其进行Clark变换，将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物理量变换到2轴的定子静止坐标系中。获得α轴上的电压分量u_α、β轴上的电压分量u_β、α轴上的电流分量i_α、β轴上的电流分量i_β：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]---\left(1\right);$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]---\left(2\right);$

$P_N^{*}=i_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\α}}+i_{\mathrm{\β}}{u}_{\mathrm{\β}}---\left(3\right);$

运算出电机回馈的实时功率

通过第三运算单元运算

与P_M的差值△P，将△P作为调节器的输入，调节器可以为PI调节器，调节器依据控制算法调节输出频率增量df至控制器内的频率控制单元，频率控制单元根据df调节输出频率f，将输出的频率指令送到闭环控制单元中，闭环控制单元输出逆变单元的控制信号，从而改变逆变单元的输出，进而改变电机回馈的实时功率

防止出现母线过电压现象。

若当前运算周期T内电机回馈的实时功率

与一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M的差值△P大于0时，直流母线上的电压将超过母线过压抑制点U_bus*，则调节器输出频率调节量df至控制器内的频率控制单元，频率控制单元调节变换器当前输出频率，将输出的频率指令送到闭环控制单元中，闭环控制单元输出逆变单元的控制信号，从而改变逆变单元的输出频率及电压（减缓逆变单元的输出频率的下降或者是提高逆变单元的输出频率），进而减小电机回馈的实时功率

防止母线电压出现过压。

若当前运算周期T内电机回馈的实时功率

与一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M的差值△P小于0时，直流母线上的电压未超过过压抑制点U_bus*，调节器输出频率调节量df至控制器中的频率控制单元，df由当前值向趋于0的方向调节。

请参阅图4所示的变频器输出电流波形、变频器母线电压波形，母线电压得到了有效的控制并被控制在过压抑制点U_bus*之下，并未出现超调现象，没有出现过压现象。

实施例二：当正常运行时，电机突然卸载则电机转速会迅速上升，导致电机的自身运转频率上升，而此时变换器逆变单元的输出频率不改变，两者的频率差瞬时变大，电机回馈能量到母线上，将会导致母线产生过电压。本发明中当电机突然卸载时，当前运算周期T内电机回馈的实时功率与一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M的差值△P大于0时，直流母线上的电压将超过母线过压抑制点U_bus*，则调节器输出频率调节量df至控制器内的频率控制单元，此时频率控制单元内设置的频率f0为某一恒定值,频率控制单元根据调节器输出的df来改变变换器当前输出频率f，此时f＝f0+df,将输出的频率指令送到闭环控制单元中，闭环控制单元输出逆变单元的控制信号，从而改变逆变单元的输出频率（提高逆变单元的输出频率），进而减小电机回馈的实时功率防止母线电压出现过压，△P小于0时，调节器输出的df也随之下降，不断的进行动态调节，防止母线出现过电压现象。

综上所述，本发明不仅仅以采集的母线电压为监测量，同时以电机回馈的实时功率为监测量，再结合设置的预测时间段、过压抑制点以及运算得到的预测回馈功率限制，能有效的预测并提前抑制母线过电压情况的发生。

Claims (1)

1.一种带母线电压预测的过电压抑制方法，由变换器连接电机，控制电机的运行，所述变换器包括控制器、逆变单元，其特征在于所述带母线电压预测的过电压抑制方法包括如下步骤：

步骤1，在控制器内设定母线过压抑制点U_bus*；

步骤2，在控制器内设置预测时间段△T,在当前运算周期T内：

步骤2-1，通过电压采样装置采样母线电压U_bus，通过电流采样装置采样电机相电流I，控制器运算电机相电压U；

步骤2-2，控制器根据电机的相电压U以及电机的相电流I运算出电机回馈的实时功率

步骤2-3，控制器运算出母线过压抑制点U_bus*与采样的母线电压U_bus的差值U_dc；

步骤2-4，控制器根据母线电压U_bus、步骤2-3所述的差值△U_dc运算一个预测时间段△T内的预测回馈功率限值P_M；

步骤2-5，控制器运算一个预测时间段△T内步骤2-2所述的实时功率与步骤2-4所述的预测回馈功率限值P_M的差值△P；

步骤2-6，控制器根据步骤2-5所述的差值△P运算得到频率调节量df，调节输出频率f,从而改变逆变单元的输出频率，进而调节电机回馈的实时功率

步骤3，在每一个运算周期T内重复步骤2。

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