CN103501135B - 高压变频器制动减速保护系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压变频器制动减速保护系统，所述高压变频器采用功率单元串联型结构，包括电压采样单元、压差计算单元以及第一自调整控制器，其中电压采样单元用于采样高压变频器的所有功率单元的直流母线电压；压差计算单元用于计算所述直流母线电压的变化值；所述第一自调整控制器，用于在所述直流母线电压的变化值超过第一阈值时，使高压变频器停止向电动机输出制动电压。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过在高压变频器制动运行时根据功率单元的直流母线电压变化值自动调整减速时间和/或速度调节器的输出转矩上限，无需额外增加电路即可避免功率单元过压，降低了高压变频器的成本。

Description

高压变频器制动减速保护系统和方法

技术领域

本发明涉及高压变频器控制领域，更具体地说，涉及一种高压变频器制动减速保护系统和方法。

背景技术

高压变频器广泛应用于石油化工、矿业、冶金及城市建设等应用领域，在降低能耗、改善工艺等方面起着重要的作用。目前高压变频器主回路主要采用了功率单元串联型结构。功率单元串联型多电平高压变频器是广泛应用的高压变频器，如图1、2所示，其输入侧通过移相变压器移相隔离，降压得到多组低压三相交流电，每组三相低压交流电接入不同功率单元(例如A1单元-A5单元、B1单元-B5单元、C1单元-C5单元)，并经功率单元整流滤波、逆变后输出串联，得到高压交流输出到高压电动机，其中每一功率单元通过控制板控制运行。

如图3所示，是上述高压变频器的矢量控制示意图，其通过磁链环、速度环和电流环实现高压变频器的运行控制：速度给定与速度反馈差值经过速度调节器调节输出，速度环输出为转矩电流给定大小；磁链给定与磁链反馈差值经过磁链调节器调节输出，磁链环输出为励磁电流给定；电流环输出为指令电压给定。

在高压电动机拖动系统应用的场合，由于系统惯性非常大，从额定转速开始自由停车，需要几十分钟甚至几个小时，因此有的高压电动机应用场合需要通过高压变频器快速减速停车。然而在通过变频器快速减速停车时，高压电动机处于发电状态，此时制动能量通过逆变侧回馈到电网。由于电网侧往往采用二极管整流，容易造成功率单元的母线电压升高，若减速时间过快，会造成功率单元过压故障。

为避免功率单元过压，通常高压变频器采用为功率单元配置制动能量吸收电路，以抑制减速制动时功率单元过压，但这将大大增加高压变频器成本。

也有通过增大每个功率单元内直流母线电容值，或者增大母线电容侧均压电阻的功率、减小均压电阻阻值来达到对制动能量的吸收，以实现对制动能量的吸收。但这不但增加了成本，而且增加了功率单元内散热负担。并且在减速制动时依然存在功率单元过压的可能性，无法从根本上解决制动能量回馈问题。

此外，还有在制动时通过提高功率单元的IGBT开关频率、增加功率单元本身的损耗实现减速制动时能量吸收，但功率单元本身的消耗的能量有限，并且长期使用将严重影响功率单元的IGBT的寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述串联型高压变频器功率单元制动过压的问题，提供一种高压变频器制动减速保护系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种高压变频器制动减速保护系统，所述高压变频器采用功率单元串联型结构，包括电压采样单元、压差计算单元以及第一自调整控制器，其中：所述电压采样单元，用于在所述高压变频器处于减速制动状态时，在每一采样周期采样高压变频器的所有功率单元的直流母线电压；所述压差计算单元，用于计算所述直流母线电压的变化值；所述第一自调整控制器，用于在所述直流母线电压的变化值超过第一阈值时，使高压变频器停止向电动机输出制动电压；所述保护系统包括第三自调整控制器，用于在所述直流母线电压的变化值小于第一阈值且大于第二阈值时下调速度调节器的制动转矩上限、在所述直流母线电压的变化值为负时上调速度调节器的制动转矩上限，并使用调整后的制动转矩上限生成输出到电动机的电压；所述第二阈值为正且小于第一阈值。

在本发明所述的高压变频器制动减速保护系统中，所述保护系统包括第二自调整控制器，用于在所述直流母线电压的变化值小于第一阈值且大于第二阈值时上调高压变频器设定的减速步长、在所述直流母线电压的变化值为负时下调高压变频器设定的减速步长，并使用调整后的减速步长生成输出到电动机的电压；所述第二阈值为正且小于第一阈值。

在本发明所述的高压变频器制动减速保护系统中，所述压差计算单元将当前采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值与前一采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值之差作为直流母线电压的变化值。

在本发明所述的高压变频器制动减速保护系统中，所述第三自调整控制器调整速度调节器的制动转矩上限的幅度与直流母线电压的变化值的绝对值同向变化。

在本发明所述的高压变频器制动减速保护系统中，每一所述功率单元的控制板包括一个电压采样单元，且所述采样周期为所有功率单元的控制板中的电压采样单元将各自母线电压值上传到高压变频器主控系统的时间。

本发明还提供一种高压变频器制动减速保护方法，所述高压变频器采用功率单元串联型结构，包括以下步骤：

(a)在所述高压变频器处于减速制动状态时，在每一采样周期采样高压变频器的所有功率单元的直流母线电压；

(b)在所述直流母线电压的变化值超过第一阈值时，使高压变频器停止向电动机输出制动电压；

在本发明所述的高压变频器制动减速保护方法中，所述步骤(b)包括：

(b1)计算当前采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值与前一采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值之差，若所述差值大于第一阈值，则执行步骤(b2)，若所述差值大于第二阈值且小于第一阈值，则执行步骤(b3),若所述差值为负，则执行步骤(b4)，其中所述第二阈值为正且小于第一阈值；

(b2)使高压变频器停止制动减速过程，停止向电动机输出制动电压；

(b3)下调高压变频器的减速步长和/或下调速度调节器的制动转矩上限，并使用调整后的减速步长和/或制动转矩上限生成输出到电动机的电压；

(b4)上调高压变频器的减速步长和/或上调速度调节器的制动转矩上限，并使用调整后的减速步长和/或制动转矩上限生成输出到电动机的电压。

在本发明所述的高压变频器制动减速保护方法中，所述步骤(b3)和(b4)中，减速步长和/或速度调节器的制动转矩上限调整幅度与直流母线电压的变化值的绝对值同向变化。

在本发明所述的高压变频器制动减速保护方法中，所述步骤(a)由每一功率单元的控制板分别采样各自的直流母线电压，且所述采样周期为所有功率单元的控制板将各自母线电压值上传到高压变频器主控系统的时间。

本发明的高压变频器制动减速保护系统及方法，通过在高压变频器制动运行时根据功率单元的直流母线电压变化值自动调整减速时间和/或速度调节器的输出转矩上限，无需额外增加电路即可避免功率单元过压，降低了高压变频器的成本。

附图说明

图1是现有功率单元串联型多电平高压变频器的拓扑结构示意图。

图2是图1中功率单元的示意图。

图3是高压变频器速度环、电流环控制示意图。

图4是本发明高压变频器制动减速保护系统实施例的示意图。

图5是本发明高压变频器制动减速保护方法第一实施例的流程示意图。

图6是本发明高压变频器制动减速保护方法第二实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

高压电动机在运行中由于惯性较大，其减速制动时处于发电状态，如果忽略电动机定、转子发热以及转换过程中的其他损耗，整个制动过程存在以下能量转化关系：

$\begin{array}{c}{\∫}_0^t{P}_1\left(t\right)dt+\frac{1}{2}C\[U_C^2\left(t\right)-U_C^2\left(0\right)\]=\\ {\∫}_0^t{P}_m\left(t\right)dt=\frac{1}{2}J\[{\mathrm{\Ω}}_0^2-{\mathrm{\Ω}}_t^2\]\end{array}$

式中，P₁为转换到交流侧的平均功率或通过均压电压电阻消耗的功率，C为功率单元母线电容的大小，U_C(0)，U_C(t)，Ω₀，Ω_t分别是功率单元母线电容C两端的电压和电动机转子角速度的初值与时间函数，P_m为电动机制动电磁功率，J为电动机转子及所带负载折算到转子轴上的转动惯量的总和。

本发明根据上述能量转化关系，通过在系统快速减速制动过程中，根据功率单元母线电压大小自动调整快速制动时的减速步长和/或制动转矩输出上限，使功率单元母线电压在减速制动时不至于上升过快，达到抑制功率单元过压故障的目的；同时根据功率单元母线电压大小调整减速步长和/或制动转矩输出上限，使高压变频器拖动系统快速停止下来。

如图4所示，是本发明高压变频器制动减速保护系统第一实施例的示意图，其中上述高压变频器采用功率单元串联型结构。本实施例中的制动减速保护系统包括电压采样单元41、压差计算单元42以及第一自调整控制器43，其中电压采样单元41、压差计算单元42和第一自调整控制器43可由集成到高压变频器的软件和/或硬件构成。

电压采样单元41用于在高压变频器处于减速制动状态时，在每一采样周期采样高压变频器的每一功率单元的直流母线电压。特别地，该制动减速保护系统可包括多个电压采样单元41并分别集成到每一功率单元的控制板。主控系统在速度采样计算时间内(例如2ms)，读取所有电压采样单元41得到的单元母线电压值。电压采样单元41的采样周期通常为60-100毫秒，具体地，采样周期的选择与系统制动过程有关。

压差计算单元42用于计算电压采样单元41采样获得的直流母线电压的变化值。具体地，压差计算单元42可集成到高压变频器的主控系统，其可将当前采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值与前一采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值之差作为直流母线电压的变化值。当然，在具体实现时，也可计算每一功率单元的直流母线电压的两个采样周期的差值，并将各个差值中最大的一个作为直流母线电压的变化值。

第一自调整控制器43用于在压差计算单元42计算获得的直流母线电压的变化值超过第一阈值时，使高压变频器停止向电动机输出制动电压，从而停止电动机的制动过程，避免功率单元过压故障导致停机甚至损坏功率单元。该第一自调整控制器43具体可集成到高压变频器的主控系统。

上述保护系统还可包括一个第二自调整控制器，用于调整高压变频器的减速步长。具体地，该第二自调整控制器可集成到高压变频器的主控系统，高压变频器的减速时间PI调节器通过在减速时间基准值基础上修改减速步长(即减速时间调节幅度)来调整高压变频器的减速时间，从而使输出到速度环的速度给定相应变化，最终使电流调节器的电压指令产生相应变化。

具体地，上述第二自调整控制器在直流母线电压的变化值小于第一阈值且大于第二阈值(该第二阈值为正且小于第一阈值)时下调高压变频器设定的减速步长、在直流母线电压的变化值为负时上调高压变频器设定的减速步长，并使用调整后的减速步长生成输出到电动机的电压。这样，可实时调整减速步长，使每个功率单元的母线电压控制在保护值范围内，无需另外硬件电路，达到减速时间快且系统不过压。

特别地，上述第二自调整控制器调整减速步长与直流母线电压的变化值的绝对值同向变化，即直流母线电压的变化值超过第二阈值越多，减速时间上调的步长越大；小于零越多，减速时间下调的步长越大。

通过第二自调整控制器对制动时的减速时间自动调整，在高压变频器减速制动时，无需增加硬件即可保证所有功率单元不过压，并使减速时间最短、减速时间控制最优，达到快速制动的目的。

上述保护系统还可包括一个第三自调整控制器，用于在压差计算单元42计算获得的直流母线电压的变化值小于第一阈值且大于第二阈值(该第二阈值为正且小于第一阈值)时上调高压变频器设定的减速步长时下调速度调节器的制动转矩上限、在直流母线电压的变化值为负时上调速度调节器的制动转矩上限，并使用调整后的制动转矩上限生成输出到电动机的电压指令。具体地，该第三自调整控制器可集成到高压变频器的主控系统，其通过修改速度调机器的制动转矩上限来使限制速度调节器的输出转矩，从而使电流调节器的电压指令产生相应变化。

上述第三自调整控制器在功率单元母线电压变化较大时，减小制动转矩上限；在功率单元母线电压变化过小或者为负时，增大制动转矩上限。

特别地，第三自调整控制器调整速度调节器的制动转矩上限的幅度与直流母线电压的变化值同向变化，即直流母线电压的变化值超过第二阈值越多，下调制动转矩上限的幅度越大；小于零越多，上调制动转矩上限的幅度越大。

通过第三自调整控制器，在高压变频器减速制动时，可使制动时回馈的能量得到有效控制，高速、中速及低速制动功率得到很好的控制。

如图5所示，是本发明高压变频器制动减速保护方法第一实施例的流程示意图，其中高压变频器采用功率单元串联型结构，该方法包括以下步骤：

步骤S51：在高压变频器处于减速制动状态时，在每一采样周期采样高压变频器的所有功率单元的直流母线电压。

在该步骤中，每一功率单元的控制板分别采样各自的直流母线电压，且采样周期为所有功率单元的控制板将各自母线电压值上传到高压变频器主控系统的时间。

步骤S52：根据采样获得的直流母线电压，计算直流母线电压的变化值，并判断直流母线电压变化值是否大于第一阈值(该第一阈值可根据功率单元的参数设置)。若直流母线电压变化值大于第一阈值，则执行步骤S53，否则执行步骤S54。

具体地，上述直流母线电压值可以为当前采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值与前一采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值之差。当然，在具体实现时，也可计算每一功率单元的直流母线电压的两个采样周期的差值，并将各个差值中最大的一个作为直流母线电压的变化值。

步骤S53：使高压变频器停止向电动机输出制动电压，从而暂停电动机的制动进程，然后返回步骤S51继续采样直流母线电压。

步骤S54：使用原有参数控制电动机制动，并返回步骤S51继续采样直流母线电压。

如图6所示，是本发明高压变频器制动减速保护方法第二实施例的流程示意图，其中高压变频器采用功率单元串联型结构，该方法包括以下步骤：

步骤S61：在高压变频器处于减速制动状态时，在每一采样周期采样高压变频器的所有功率单元的直流母线电压。

步骤S62：根据采样获得的直流母线电压，计算直流母线电压的变化值，并判断直流母线电压变化值是否大于第一阈值(该第一阈值可根据功率单元的参数设置)。若直流母线电压变化值大于第一阈值，则执行步骤S63，否则执行步骤S64。

步骤S63：使高压变频器停止向电动机输出制动电压，从而暂停电动机的制动进程，然后返回步骤S61继续采样直流母线电压。

步骤S64：判断直流母线电压变化值是否大于第二阈值或小于零。若直流母线电压变化值大于第二阈值或小于零，则执行步骤S66，否则执行步骤S65。

步骤S65：使用原有参数控制电动机制动，并返回步骤S61继续采样直流母线电压。

步骤S66：调整减速时间和/或制动转矩上限。具体地，在直流母线电压变化值大于第二阈值时，上调高压变频器的减速时间和/或下调速度调节器的制动转矩上限，在直流母线电压小于零时下调高压变频器的减速时间和/或上调速度调节器的制动转矩上限。

特别地，上述减速时间和/或速度调节器的制动转矩上限调整幅度与直流母线电压的变化值的绝对值同向变化。

步骤S67：使用调整后的减速时间和/或制动转矩上限生成输出到电动机的电压以控制电动机制动运行，并返回步骤S61继续采样直流母线电压。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高压变频器制动减速保护系统，所述高压变频器采用功率单元串联型结构，其特征在于：包括电压采样单元、压差计算单元以及第一自调整控制器，其中：所述电压采样单元，用于在所述高压变频器处于减速制动状态时，在每一采样周期采样高压变频器的所有功率单元的直流母线电压；所述压差计算单元，用于计算所述直流母线电压的变化值；所述第一自调整控制器，用于在所述直流母线电压的变化值超过第一阈值时，使高压变频器停止向电动机输出制动电压；所述保护系统包括第三自调整控制器，用于在所述直流母线电压的变化值小于第一阈值且大于第二阈值时下调速度调节器的制动转矩上限、在所述直流母线电压的变化值为负时上调速度调节器的制动转矩上限，并使用调整后的制动转矩上限生成输出到电动机的电压；所述第二阈值为正且小于第一阈值。

2.根据权利要求1所述的高压变频器制动减速保护系统，其特征在于：所述保护系统包括第二自调整控制器，用于在所述直流母线电压的变化值小于第一阈值且大于第二阈值时上调高压变频器设定的减速步长、在所述直流母线电压的变化值为负时下调高压变频器设定的减速步长，并使用调整后的减速步长生成输出到电动机的电压；所述第二阈值为正且小于第一阈值。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的高压变频器制动减速保护系统，其特征在于：所述压差计算单元将当前采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值与前一采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值之差作为直流母线电压的变化值。

4.根据权利要求1所述的高压变频器制动减速保护系统，其特征在于：所述第三自调整控制器调整速度调节器的制动转矩上限的幅度与直流母线电压的变化值的绝对值同向变化。

5.根据权利要求1所述的高压变频器制动减速保护系统，其特征在于：每一所述功率单元的控制板包括一个电压采样单元，且所述采样周期为所有功率 单元的控制板中的电压采样单元将各自母线电压值上传到高压变频器主控系统的时间。

6.一种高压变频器制动减速保护方法，所述高压变频器采用功率单元串联型结构，其特征在于：包括以下步骤：

(a)在所述高压变频器处于减速制动状态时，在每一采样周期采样高压变频器的所有功率单元的直流母线电压；

(b)在所述直流母线电压的变化值超过第一阈值时，使高压变频器停止向电动机输出制动电压；所述步骤(b)包括：

(b1)计算当前采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值与前一采样周期内所有功率单元中直流母线电压最大值之差，若所述差值大于第一阈值，则执行步骤(b2)，若所述差值大于第二阈值且小于第一阈值，则执行步骤(b3),若所述差值为负，则执行步骤(b4)，其中所述第二阈值为正且小于第一阈值；

(b2)使高压变频器停止制动减速过程，停止向电动机输出制动电压；

(b3)下调高压变频器的减速步长和/或下调速度调节器的制动转矩上限，并使用调整后的减速步长和/或制动转矩上限生成输出到电动机的电压；

(b4)上调高压变频器的减速步长和/或上调速度调节器的制动转矩上限，并使用调整后的减速步长和/或制动转矩上限生成输出到电动机的电压。

7.根据权利要求6所述的高压变频器制动减速保护方法，其特征在于：所述步骤(b3)和(b4)中，减速步长和/或速度调节器的制动转矩上限调整幅度与直流母线电压的变化值的绝对值同向变化。

8.根据权利要求6所述的高压变频器制动减速保护方法，其特征在于：所述步骤(a)由每一功率单元的控制板分别采样各自的直流母线电压，且所述采样周期为所有功率单元的控制板将各自母线电压值上传到高压变频器主控系统的时间。