CN104113259B - 一种变频器追踪电机转速的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变频器追踪电机转速的方法，根据预设的追踪电机转速的V/F曲线，不断改变变频器的输出频率和电压，实施监控定子电流各分量，根据定子电流有功分量判断当前电机是否运行在电动和发电状态的切换点，进而得到电机的实际转速。本发明还提供一种变频器追踪电机转速的装置。

Description

一种变频器追踪电机转速的方法及其装置

技术领域

本发明属于变频器领域，特别涉及一种变频器追踪电机转速的方法及其装置。

背景技术

变频器是将固定频率的交流电变换成频率连续可调的交流电的装置，变频调速已被公认为时最理想、最有发展前途的调速方式之一，在节能、自动化系统以及提高工艺水平和产品质量等方面有广泛的应用。

用变频器驱动电机时，电机的初始状态可能不是静止状态，由于某些原因处于转动状态，比如风机在外界风力作用下的自转，驱动器故障停机等。变频器若直接从0Hz直接启动运行，由于输出频率与电机当前的实际运行频率存在差异，导致电机处于发电状态，启动前电机自转的转速越快，则变频器的输出电流越大，可能导致变频器出现过流或者过压故障。

因此在某些应用场合，变频器运行前需要检测出电机的实际转速，然后再从追踪到的频率启动。这种自动检测电机转速的技术称为转速追踪技术。

目前，市场上产品主要有以下几种转速追踪方法：

硬件电路检测电机反电动势的方法：该方法的原理是利用反电动势检测电路，检测电机的反电动势，根据反电动势的频率推算出电机的转速。

该方法的缺点是，需要额外配置转速跟踪硬件电路，同时监控该电路需要占用变频器处理器的I/O资源，同时增加了系统的硬件成本和软件资源的开销。

利用直流母线电流的方法：该方法的原理是当变频器处于发电或者电动状态时，母线上的电流不为0，当变频器的输出频率等于电机实际转速时，母线电流为0，具体实施方法：通过闭环调节变频器的输出频率和电压，使母线电流为0，此时的变频器的输出频率等于电机的实际频率。

该方法的缺点，首先需要增加母线电流的检测装置，增加了成本，机型越大成本越高，同时降低系统可靠性；其次，母线电压存在波动，导致母线电流也随之波动，因此很难判断母线电流是否为0。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制简单且成本低的变频器追踪电机转速的方法。

本发明还提供一种变频器追踪电机转速的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种变频器追踪电机转速的方法，根据预设的追踪电机转速的V/F曲线，不断改变变频器的输出频率和电压，实施监控定子电流各分量，根据定子电流有功分量判断当前电机是否运行在电动和发电状态的切换点，进而切换点的频率得到电机的实际转速。

所述的变频器追踪电机转速的方法，其具体包括如下步骤：

a、当设置变频器为转速追踪再启动时，变频器首先给出转速追踪命令，执行步骤b；

b、预励磁：根据设定追踪方向、追踪起始频率、追踪电机转速的V/F曲线输出相应的电压，保持起始频率和当前输出电压一段时间，等待励磁电流稳定，执行步骤c；

c、根据定子电流闭环调节频率增量，得到输出频率，执行步骤d；

d、根据设定的追踪电机转速的V/F曲线，输出相应的电压，执行步骤e；

e、采样定子电流，并对其进行解耦运算，得到有功电流分量Id，执行步骤f；

f、根据有功电流分量Id判断当前电机是否运行在电动和发电状态的切换点，如果是则运行步骤g，如果不是则运行步骤i；

g、保持当前的运行频率，输出电压从当前的追踪用V/F曲线设定值，提升到正常V/F曲线电压值，运行步骤h；

h、追踪过程结束；

i、判断当前运行频率是否达到频率上限值，如果是则运行步骤j，否则运行步骤c；

j、将电机运行的方向取反，追踪频率置零，运行步骤k；

k、追踪循环次数是否超过设定的次数，如果是则运行步骤l，如果不是则运行步骤a；

l、追踪失败，变频器输出频率设为0，按照设定的运行方向，从0Hz开始启动运行。

步骤a中，设定好首次追踪时变频器的运行方向、输出频率的初始值、输出电压的初始值和追踪电机转速时的V/F曲线。

步骤c中，采用定子电流反馈值闭环调节追踪频率的增量的调节量，追踪频率的增量的调节量与频率追踪单位时间增量以及上一拍的输出频率累加得到当前的输出频率。

步骤e中，计算定子电流有功分量和无功分量的计算公式如下：

其中，Id是定子电流的有功分量，Iq时定子电流的无功分量，Iu、Iv为相电流、θ为电压向量与电流向量的夹角。

步骤f中，电流有功分量Id=0时，电机运行在电动和发电状态的切换点。

本发明还提供一种变频器控制电机过转速追踪的装置，其包括：用于根据变频器的输出频率和设定的V/F曲线计算输出电压值的V/F电压运算装置；用于对电机定子电流运算，得到定子电流反馈值和定子电流有功分量的电流运算装置； 用于根据定子电流反馈值对追踪频率增量进行调节的PI调节装置；用于根据定子电流有功分量判断电机状态的电机状态识别装置；用于追踪成功后的保持当前的输出频率，快速将输出电压由追踪电机转速时的V/F曲线电压提升到正常运行时的V/F曲线电压的电机启动装置。

其中，当电流有功分量Id=0时，电机状态识别装置判断电机运行在电动和发电状态的切换点。

实施上述变频器追踪电机转速的方法及装置，具有以下有益效果：

一、与采用硬件电路检测电机转速的方法的相比：该方法节省了检测电机反电动势的硬件电路的成本，避免了增加硬件电路带来的系统的不稳定性，同时节省了系统处理器的IO和软件资源的开销。

二、与检测直流母线电流的方法相比：该方法节省了检测母线电路的硬件成本，简化了变频器硬件系统的设计，同时该方法检测成功率更高，占用处理器的软件资源小。

附图说明

图1是本发明一实施例的变频器追踪电机转速的方法的流程图。

图2是定子电流闭环控制追踪频率增量的框图。

图3是本发明一实施例的变频器追踪电机转速的装置的示意图。

具体实施方式

本发明的变频器追踪电机转速的方法中，根据预设的追踪电机转速的V/F曲线，不断改变变频器的输出频率和电压，实施监控定子电流各分量，根据定子电流有功分量判断当前电机是否运行在电动和发电状态的切换点，进而切换点的频率得到电机的实际转速。

如图1所示，本发明一实施例的变频器追踪电机转速的方法包括如下步骤：

S11、开始追踪电机转速，本步骤中设定好首次追踪时变频器的运行方向、输出频率的初始值、输出电压的初始值和追踪电机转速时的V/F曲线。

S12、预励磁阶段：在追踪之前，需要一个预励磁阶段使电机的磁通稳定，这样追踪开始时采样的电流才是实际有效值，否则会有一段时间的波动。

S13、预励磁完成后，根据定子电流闭环调节追踪频率增量，并得到当前的输出频率。闭环调节的框图如图2所示。图2中，Iref是定子电流的参考值，Iout是定子电流反馈值，△I时PI调节器误差输入，△Freq是频率增量调节值， Inc_F0是频率追踪单位时间增量，OutFreq是当前输出频率，OutVolt是在当前输出频率下根据追踪电机转速时的V/F曲线计算得到的电压值，PI是定子电流PI调节装置，V/F calc是 V/F曲线计算装置。定子电流反馈值Iout用于闭环调节追踪频率的增量的调节量 △Freq，△Freq与频率追踪单位时间增量Inc_F0以及上一拍的输出频率累加得到当前的输出频率OutFreq。通过闭环调节输出频率保证追踪时不过压不过流，保证了追踪时的稳定性。在当前输出频率下根据追踪电机转速时的V/F曲线计算得到的电压值OutVolt。

S14、在当前输出频率下根据追踪电机转速时的V/F曲线计算得到的电压值。转速追踪时如果采用正常运行时的V/F曲线电压，极容易造成过压或者过流，如果电机实际转速较快，也会对电机造成一定冲击，影响电机寿命。因此，采用的是专门为追踪电机转速设定的V/F曲线，降低追踪时对电机和变频器的影响，使追踪过程平稳可靠。

S15、每进行一拍追踪，需要采集实时的定子电流，并对其进行解耦运算，得到定子电流的有功和无功分量；

S16、通过定子电流的有功分量判断电机当前状态时是否处于发电和电动状态切换点，如果是则执行步骤S21，如果不是则执行布置后S17；

转速变化与电机状态的分析：当电动机转速n明显大于磁场同步转速n0时，有功功率P<0，无功功率Q>0，电机处于发电状态。当电动机转速n小于磁场同步转速n0时，有功功率P>0，无功功率Q>0，电网向电机输送功率，电机处于电动状态。当电动机转速n等于磁场同步转速n0时，有功功率P=0，无功功率Q>0，电机处于电动和发电状态切换点。

有功功率 P = m·V·Id

有功功率 Q = m·V·Iq

式中：m是相数，一般为3相， V 是输出电压， Id是定子电流的有功分量， Iq是定子电流的无功分量。

计算有功和无功分量的计算公式如下：

Iu、Iv为相电流、θ为电压向量与电流向量的夹角。

根据上述分析，判断电动和发电状态的切换点，需要根据有功功率的方向判断，即根据电流有功分量Id是否为零判断即可。

S17、判断当前输出频率是否达到上限频率，如果是则执行步骤S18，如果不是则执行步骤S13。

S18、当前方向追踪到上限频率，并没有追踪成功，则需要改变追踪的方向，将电机的运行方向取反，并将追踪的输出频率清零，重新开始追踪。

S19、判断追踪循环次数是否超过m次，如果没有则运行步骤S11，如果是，表明追踪多次仍然无法成功则运行步骤S20。

S20、追踪失败的情况通常是电机的实际转速比较小，故可以让变频器按照设定的运行方向，从0Hz开始正常运行。

S21、追踪成功，保持当前的输出频率，以较快的速度将输出电压由追踪时的V/F曲线电压提升到正常运行时的V/F曲线电压。

S22、追踪结束，变频器进入正常运行状态，根据设定的运行变频决定下一步的动作。

如图3所示，本发明一实施例的变频器追踪电机转速的装置包括V/F电压运算装置、电流运算装置、PI调节装置、电机状态识别装置、电机驱动装置和电机启动装置。V/F电压运算装置用于根据变频器的输出频率和设定的V/F曲线计算输出电压值的。电机驱动装置用于输出驱动电流给电机。电流运算装置用于对电机定子电流Iu、Iv计算得到定子电流反馈值Iout，以及对定子电流进行解耦，得到定子电流有功分量Id和无功分量Iq。PI调节装置用于根据定子电流反馈值Iout对追踪频率增量进行调节。电机状态识别装置用于根据定子电流有功分量Id判断电机的状态。电机启动装置用于追踪成功后的保持当前的输出频率，快速将输出电压由追踪电机转速时的V/F曲线电压提升到正常运行时的V/F曲线电压。

实施上述变频器追踪电机转速的方法及装置，具有以下有益效果：

一、与采用硬件电路检测电机转速的方法的相比：该方法节省了检测电机反电动势的硬件电路的成本，避免了增加硬件电路带来的系统的不稳定性，同时节省了系统处理器的IO和软件资源的开销。

二、与检测直流母线电流的方法相比：该方法节省了检测母线电路的硬件成本，简化了变频器硬件系统的设计，同时该方法检测成功率更高，占用处理器的软件资源小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种变频器追踪电机转速的方法，其特征在于，根据预设的追踪电机转速的V/F曲线，不断改变变频器的输出频率和电压，实施监控定子电流各分量，根据定子电流有功分量判断当前电机是否运行在电动和发电状态的切换点，进而根据切换点的频率得到电机的实际转速，

所述方法具体包括如下步骤：

a、当设置变频器为转速追踪再启动时，变频器首先给出转速追踪命令，执行步骤b；

b、预励磁：根据设定的追踪方向、追踪起始频率、追踪电机转速的V/F曲线输出相应的电压，保持起始频率和当前输出电压一段时间，等待励磁电流稳定，执行步骤c；

c、根据定子电流闭环调节频率增量，得到输出频率，执行步骤d；

d、根据设定的追踪电机转速的V/F曲线，输出相应的电压，执行步骤e；

e、采样定子电流，并对其进行解耦运算，得到有功电流分量I d，执行步骤f；

f、根据有功电流分量Id判断当前电机是否运行在电动和发电状态的切换点，如果是则运行步骤g，如果不是则运行步骤i；

g、保持当前的运行频率，输出电压从当前的追踪电机转速的V/F曲线设定值，提升到正常V/F曲线电压值，运行步骤h；

h、追踪过程结束；

i、判断当前运行频率是否达到频率上限值，如果是则运行步骤j，否则运行步骤c；

j、将电机运行的方向取反，追踪频率置零，运行步骤k；

k、判断追踪循环次数是否超过设定的次数，如果是则运行步骤l，如果不是则运行步骤a；

l、追踪失败，变频器输出频率设为0，按照设定的运行方向，从0Hz开始启动运行。

2.根据权利要求1所述的变频器追踪电机转速的方法，其特征在于，步骤a中，设定好首次追踪时变频器的运行方向、输出频率的初始值、输出电压的初始值和追踪电机转速时的V/F曲线。

3.根据权利要求1所述的变频器追踪电机转速的方法，其特征在于，步骤c中，采用定子电流反馈值闭环调节追踪频率增量的调节量，追踪频率增量的调节量与频率追踪单位时间增量以及上一拍的输出频率累加得到当前的输出频率。

4.根据权利要求1所述的变频器追踪电机转速的方法，其特征在于，步骤e中，计算定子电流有功分量和无功分量的计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\&theta;}& sin\mathrm{\&theta;}\\ -sin\mathrm{\&theta;}& cos\mathrm{\&theta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \sqrt{\frac{2}{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_u\\ I_v\end{array}\right]$

其中，Id是定子电流的有功分量，Iq是定子电流的无功分量，Iu、Iv为相电流、θ为电压向量与电流向量的夹角。

5.根据权利要求1所述的变频器追踪电机转速的方法，其特征在于，步骤f中，电流有功分量Id＝0时，电机运行在电动和发电状态的切换点。