CN108923629A - 一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统及方法 - Google Patents

一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统及方法 Download PDF

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谭丹
周治国
钟道祯
王重
梁国陶
杜超超
吕崇
王鹏举
杨顺禄
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Abstract

本发明公开了一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统方法，控制方法包括以下步骤：控制板通过电压采样单元检测高压变频器的电源输入电压；检测输入电压是否在1p.u.‑1.3p.u.范围内，判断阀组是否报直流过压故障；如果否，控制板通过PI参数运算调节使高压变频器输出电压保持稳定；如果是，阀组闭锁同一级的ABC三相模块，然后上传直流过压故障并且不跳闸，主控制板收到直流过压故障后中断所有模块输出，置瞬停标志位为1，直流电压故障消失后，按照逻辑处理方法解除模块的闭锁信号并使变频器瞬停启动。控制系统包括电源模块、IC模块、直流电压采样电路、CPLD模块和功率控制模块。本发明通过软硬件结合的方式来实现高频电压器高电压穿越的控制。

Description

一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统及方法
技术领域
本发明涉及高压变频器控制领域，具体的涉及一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统及方法。
背景技术
当外部故障或扰动引起辅机变频器电源进线电压瞬时、短时或者长时间升高时，在规定的电压变动范围和时间间隔内，变频器应采用可靠工作方式，保障供电对象的安全运行。
目前高压变频器在低电压穿越过程中，短时中断输出保护自身设备，当电源恢复之后，若电动机仍在运转，高压变频器跟踪电动机转速再启动，逐渐恢复至正常运行，然而市面上的高频变压器缺少在能够在高电压穿越过程中进行有效控制，保障可靠运行的功能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统及方法。
本发明采用的技术方案是：
一种用于高压变频器的高电压穿越控制方法，包括以下步骤：
S1、控制板通过电压采样单元检测高压变频器的电源输入电压；
S2、检测输入电压是否在1p.u.-1.3p.u.范围内，如果是，执行步骤S3，如果不是，则执行异常状态操作；
S3、判断阀组是否报直流过压故障，如果否，则进入步骤S4，如果是，则进入步骤S5；
S4、控制板通过PI参数运算调节使高压变频器输出电压保持稳定,然后进入步骤S7；
S5、阀组闭锁同一级的ABC三相模块，然后上传直流过压故障并且不跳闸，主控制板收到直流过压故障后中断所有模块输出，置瞬停标志位为1；
S6、直流电压故障消失后，按照逻辑处理方法解除模块的闭锁信号并使变频器瞬停启动；
S7、高压变频器进入正常运行状态。
进一步的，所述步骤S4中PI参数运算的公式为：(请描述ΔU和Vrun值的作用，以及控制板如何根据这两个值保持输出电压稳定的)
ΔU＝Uref-Ufeedback，得出ΔU，其中Uref＝当前运行频率换算的电压值，Ufeedback＝输出电压有效值；
Vrun＝Vrun_Cal+Vrun_Cal_Add，其中Vrun_Cal＝当前运行频率换算的电压值，Vrun_Cal_Add＝PI运算的值。
进一步的，所述步骤S6中逻辑处理方法包括以下步骤：
S6a、解锁同一级的ABC三相模块的旁通信号，改为接收正常的PWM信号；
S6b、如果检测不到机端电压和频率，则进入步骤S6c,如果控制板能够测到机端电压和频率则进入步骤S6d；
S6c、使用电流搜频开始频率扫描,从50HZ开始输出，输出电压从50V开始按200V/s增加，在电流搜频过程中，若满足到下列三种条件之一则退出升压过程：
a1)输出电流增大到额定电流，确认时间为半个周波；
b1)输出电压达到压频曲线上对应电压的二分之一；
c1)有输出电压但没有电流；
如果满足a1或b1则进入步骤S6d，如果满足c1则按照故障处理并退出搜频过程，如果a1、b1、c1均不满足则闭锁输出并退出飞车起动逻辑；
S6d、按照机端频率计算机端电压，并按照旁路重合方式直接输出。延时一个周期后，升压到频率对应压频曲线电压值，再升频/降频到设定频率；
S6e、以当前输出的频率值、电压值为直线起点，预设的频率值、电压值为终点，开始降频和降压，如果能够确定电机旋转频率，则进入步骤S6f；
S6f、判断电机旋转频率的触发条件是下列哪一项
a2：输出电流持续下降后快速上升，
b2：输出电流达到空载电流值，
如果触发条件为a2，则进入S6g，如果触发条件为b2，则进入S6h；
S6g、下发掉电闭锁命令，再延时(一个周期)检测机端频率和电压，按照检测的数值重合；
S6h、进行升压操作，升压过程受电流截止环限制，然后升频到设定频率，完成飞车起动。
进一步的，所述步骤S6d中升压速度与旁路重合后升压速度相同，升压过程受电流截止环限制，升频速度为变频器参数中的升频速度。
进一步的，所述步骤S6e中预设的频率值、电压值为0Hz、120V或0Hz、180V。
进一步的，所述步骤S6f中空载电流设定为电机额定电流的0.3倍。
进一步的，所述步骤S6f中输出电流持续下降后快速上升的判断方法为：
电流持续下降的判断方法：每隔20ms判断一次，若Ia(n-1)>Ia(n)*1.01，则计数器累加一次，连续10次满足这个条件就确认，即200ms内电流持续下降；
电流快速上升的判断方法：在电流持续下降200ms之后开始判断，每隔20ms判断一次，若Ia(n-1)<Ia(n)*0.95，则计数器累加一次，连续3次满足这个条件就确认，即60ms内电流连续快速上升。
一种应用以上方法的高电压穿越控制系统，包括电源模块、IC模块、直流电压采样电路、CPLD模块和功率控制模块，所述电源模块包括与高压变频器的直流输入端相连的开关电源、以及用于给控制板电路供电的低压工作电源；所述直流电压采样电路与高压变频器的直流端相连以用于检测直流侧电压，直流电压采样电路分别与功率控制模块和功率控制模块相连，所述CPLD模块与IC模块相连，所述IC模块通过驱动电路与功率控制模块相连，以用于实现高电压穿越的控制。
进一步的，所述直流电压采样电路包括若干电阻以及运算放大器，所述运算放大器的同相输入端通过若干串联的电阻与高压变频器的直流端正极相连，运算放大器的反相输入端通过若干依次串联的另一组电阻与与高压变频器的直流端负极相连，运算放大器的输出端分别与CPLD模块、功率控制模块相连，所述若干电阻的电阻值皆为470kΩ，以用于提高直流电压采样电路的最高采样值。
进一步的，所述功率控制模块包括IGBT芯片和若干电阻，所述IGBT芯片的关断信号端与彼此并联的电阻R170、电阻R137、电阻R65的一个公共端相连，彼此并联的电阻R170、电阻R137、电阻R65的另一个公共端通过彼此并联的电阻R139、电阻R68、电阻R171与IGBT芯片的开通信号端相连，以用于提高IGBT芯片开通和关断的驱动能力。
本发明的有益效果：
1.通过软硬件结合的方式来实现高频电压器高电压穿越的控制；
2.高压变频器无需增加模块级数，仅通过直流电压采样电路提高阀组直流过压的承受能力，减少了成本；
3.正常运行时控制板通过PI参数跟踪调节，使输出电压稳定在拐点电压附近；
4.直流过压时旁通，不过压时解锁旁通信号，保护自身设备；
5.直流过压时中断输出，恢复时转速跟踪再启动，保障供电对象的安全可靠运行。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明；
图1为本发明高电压穿越控制方法的流程图；
图2为本发明高压变频器的控制板的模块连接图；
图3为本发明直流电压采样电路的电路原理图；
图4为本发明IGBT芯片的部分引脚图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的一种用于高压变频器的高电压穿越控制方法，包括以下步骤：
S1、控制板通过电压采样单元检测高压变频器的电源输入电压；
S2、当检测到输入电压在1p.u.-1.3p.u.范围时，执行步骤S3，如果不是，则执行异常状态操作；
S3、判断阀组是否报直流过压故障，如果否，则进入步骤S4，如果是，则进入步骤S5；
S4、控制板通过PI参数运算调节使高压变频器输出电压保持稳定，PI参数运算的公式为：
ΔU＝Uref-Ufeedback，得出ΔU，Uref＝当前运行频率换算的电压值，Ufeedback＝输出电压有效值；
Vrun＝Vrun_Cal+Vrun_Cal_Add，Vrun_Cal＝当前运行频率换算的电压值，Vrun_Cal_Add＝PI运算的值。
然后进入步骤S7；
S5、阀组闭锁同一级的ABC三相模块，然后上传直流过压故障并且不跳闸，主控制板收到直流过压故障后中断所有模块输出，置瞬停标志位为1；
S6、直流电压故障消失后，按照逻辑处理方法解除模块的闭锁信号并使变频器瞬停启动；
其中，逻辑处理方法包括以下步骤：
解锁同一级的ABC三相模块的旁通信号，改为接收正常的PWM信号；如果检测不到机端电压和频率，则进入步骤S6c,如果控制板能够测到机端电压和频率则进入步骤S6d；使用电流搜频开始频率扫描,从50HZ开始输出，输出电压从50V开始按200V/s增加，在电流搜频过程中，若满足到下列三种条件之一则退出升压过程：
a1)输出电流增大到额定电流，确认时间为半个周波；
b1)输出电压达到压频曲线上对应电压的二分之一；
c1)有输出电压但没有电流
如果满足a1或b1则进入步骤S6d，如果满足c1则按照故障处理并退出搜频过程，如果a1、b1、c1均不满足则闭锁输出并退出飞车起动逻辑；
然后按照机端频率计算机端电压，并按照旁路重合方式直接输出，延时一个周期后，升压到频率对应压频曲线电压值，再升频/降频到设定频率，升压速度与旁路重合后升压速度相同，升压过程受电流截止环限制，升频速度为变频器参数中的升频速度。
以当前输出的频率值、电压值为直线起点，预设的频率值、电压值为终点，开始降频和降压，其中一般高压变频器的终点为0Hz、120V，10kV变频器则是0Hz、180V，但受计算和测频的限制，输出频率不能降低到5Hz以下。如果扫描到5Hz仍没有找到电机转子频率，为设备安全起见，就应该闭锁输出并退出搜频过程。
其中，在降频降压(降频速度为4Hz/s)过程中会观察到输出电流随之降低，接近电机转子频率时电流可能快速下降，当输出电流出现最小值转而快速增大时，就可以确认输出电流最小值对应的频率为电机旋转频率。降频降压过程，找到电机旋转频率的两个触发条件是
a2)输出电流持续下降后快速上升；
其中，电流持续下降的判断方法：每隔20ms判断一次，若Ia(n-1)>Ia(n)*1.01，则计数器累加一次，连续10次满足这个条件就确认，即200ms内电流持续下降；
电流快速上升的判断方法：在电流持续下降200ms之后开始判断，每隔20ms判断一次，若Ia(n-1)<Ia(n)*0.95，则计数器累加一次，连续3次满足这个条件就确认，即60ms内电流连续快速上升。
满足这个条件，则下发掉电闭锁命令，再延时(一个周期)检测机端频率和电压，按照检测数值重合，然后升压，升压过程受电流截止环限制，然后升频到设定频率，完成飞车启动步骤。
b2)输出电流达到空载电流值，
其中，空载电流设定为电机额定电流的0.3倍；满足这个条件，就直接升压，升压过程受电流截止环限制，然后升频到设定频率，完成飞车起动。
S7、高压变频器进入正常运行状态。
如图2所示为本发明的一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统，包括：电源模块、IC模块、直流电压采样电路1、温度采样电路、四路33J驱动电路、CPLD模块2和功率控制模块3(IGBT)，电源模块包括与高压变频器的直流输入端相连的开关电源、以及用于给控制板电路供电的低压工作电源，低压工作电源包括直流采样电源、温度采样电源、模拟电源、控制电源、四路驱动电源，IC模块包括驱动/逻辑IC、光纤/光耦/逻辑IC。
其中，直流电压采样电路1与高压变频器的直流端相连以用于检测直流侧电压，直流电压采样电路1分别与功率控制模块3和功率控制模块3相连，CPLD模块2分别与驱动/逻辑IC、光纤/光耦/逻辑IC相连，CPLD模块2通过驱动电路与功率控制模块3相连，以用于实现高电压的控制。
开关电源分别与四路驱动电源、驱动/逻辑IC、控制电源、直流采样电源、温度采样电源相连，直流采样电源通过模拟电源与直流电压采样电路1相连以用于供电，同样温度采样电源通过模拟电源与温度采样电路相连以用于供电，CPLD模块2通过控制电源供电，直流电压采样电路1、温度采样电路皆与CPLD模块2相连以用于反馈采样数据。
现有高压变频器一般采用5级模块，当输入电压达到1.3p.u.时，直流侧电压理论值可达1268V，超过阀组直流过压保护值，导致故障跳机。
为了解决此问题，如图3所示，直流电压采样电路1包括与高压变频器的直流端正极依次串联的若干电阻，包括电阻R70、电阻R71、电阻R72、电阻R73、电阻R74、电阻R75、电阻R76、电阻R77；以及与高压变频器的直流端负极依次串联的若干电阻，包括电阻R87、电阻R88、电阻R89、电阻R90、电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94；以及运算放大器，运算放大器的同相输入端与电阻R77相连，运算放大器的反相输入端与电阻R94相连，运算放大器的输出端分别与CPLD模块2、功率控制模块3相连，电阻R70、电阻R71、电阻R72、电阻R73、电阻R74、电阻R75、电阻R76、电阻R77、电阻R87、电阻R88、电阻R89、电阻R90、电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94的电阻值皆为470kΩ，可以提高直流电压采样电路1的直流电压采样最高值至1431V。
如图4所示，功率控制模块3包括IGBT芯片、电阻R170、电阻R137、电阻R65、电阻R139、电阻R68、电阻R171，IGBT芯片的关断信号端与彼此并联的电阻R170、电阻R137、电阻R65的一个公共端相连，彼此并联的电阻R170、电阻R137、电阻R65的另一个公共端通过彼此并联的电阻R139、电阻R68、电阻R171与IGBT芯片的开通信号端相连，GL2为关断信号，通过配置并联的3只3.3Ω的电阻R170，R137，R65，提高了IGBT模块的关断能力，GH2为开通信号，通过配置并联的3只3.3Ω的电阻R139，R68，R171，提高了IGBT模块的开通能力。
本发明通过软硬件结合的方式来实现高频电压器高电压穿越的控制；高压变频器无需增加模块级数，仅通过直流电压采样电路提高阀组直流过压的承受能力，减少了成本；正常运行时控制板通过PI参数跟踪调节，使输出电压稳定在拐点电压附近；直流过压时旁通，不过压时解锁旁通信号，保护自身设备；直流过压时中断输出，恢复时转速跟踪再启动，保障供电对象的安全可靠运行。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高压变频器的高电压穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、控制板通过电压采样单元检测高压变频器的电源输入电压；
S2、检测输入电压是否在1p.u.-1.3p.u.范围内，如果是，执行步骤S3，如果不是，则执行异常状态操作；
S3、判断阀组是否报直流过压故障，如果否，则进入步骤S4，如果是，则进入步骤S5；
S4、控制板通过PI参数运算调节使高压变频器输出电压保持稳定,然后进入步骤S7；
S5、阀组闭锁同一级的ABC三相模块，然后上传直流过压故障并且不跳闸，主控制板收到直流过压故障后中断所有模块输出，置瞬停标志位为1；
S6、直流电压故障消失后，按照逻辑处理方法解除模块的闭锁信号并使变频器瞬停启动；
S7、高压变频器进入正常运行状态。
2.根据权利要求1所述的用于高压变频器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤S4中PI参数运算的公式为
ΔU＝Uref-Ufeedback，得出ΔU，其中Uref＝当前运行频率换算的电压值，Ufeedback＝输出电压有效值；
Vrun＝Vrun_Cal+Vrun_Cal_Add，其中Vrun_Cal＝当前运行频率换算的电压值，Vrun_Cal_Add＝PI运算的值。
3.根据权利要求1所述的用于高压变频器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤S6中逻辑处理方法包括以下步骤
S6a、解锁同一级的ABC三相模块的旁通信号，改为接收正常的PWM信号；
S6b、如果检测不到机端电压和频率，则进入步骤S6c,如果控制板能够测到机端电压和频率则进入步骤S6d；
S6c、使用电流搜频开始频率扫描,从50HZ开始输出，输出电压从50V开始按200V/s增加，在电流搜频过程中，若满足到下列三种条件之一则退出升压过程：
a1)输出电流增大到额定电流，确认时间为半个周波；
b1)输出电压达到压频曲线上对应电压的二分之一；
c1)有输出电压但没有电流；
如果满足a1或b1则进入步骤S6d，如果满足c1则按照故障处理并退出搜频过程，如果a1、b1、c1均不满足则闭锁输出并退出飞车起动逻辑；
S6d、按照机端频率计算机端电压，并按照旁路重合方式直接输出。延时一个周期后，升压到频率对应压频曲线电压值，再升频/降频到设定频率；
S6e、以当前输出的电压值、频率值为直线起点，预设的电压值、频率值为终点，开始降频和降压，如果能够确定电机旋转频率，则进入步骤S6f；
S6f、判断电机旋转频率的触发条件是下列哪一项
a2：输出电流持续下降后快速上升，
b2：输出电流达到空载电流值，
如果触发条件为a2，则进入S6g，如果触发条件为b2，则进入S6h；
S6g、下发掉电闭锁命令，再延时(一个周期)检测机端频率和电压，按照检测的数值重合；
S6h、进行升压操作，升压过程受电流截止环限制，然后升频到设定频率，完成飞车起动。
4.根据权利要求3所述的用于高压变频器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤S6d中升压速度与旁路重合后升压速度相同，升压过程受电流截止环限制，升频速度为变频器参数中的升频速度。
5.根据权利要求3所述的用于高压变频器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤S6e中预设的频率值、电压值为0Hz、120V或0Hz、180V。
6.根据权利要求3所述的用于高压变频器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤S6f中空载电流设定为电机额定电流的0.3倍。
7.根据权利要求3所述的用于高压变频器的高电压穿越控制方法，其特征在于：所述步骤S6f中输出电流持续下降后快速上升的判断方法为
电流持续下降的判断方法：每隔20ms判断一次，若Ia(n-1)>Ia(n)*1.01，则计数器累加一次，连续10次满足这个条件就确认，即200ms内电流持续下降；
电流快速上升的判断方法：在电流持续下降200ms之后开始判断，每隔20ms判断一次，若Ia(n-1)<Ia(n)*0.95，则计数器累加一次，连续3次满足这个条件就确认，即60ms内电流连续快速上升。
8.一种用于高压变频器的高电压穿越控制系统，其特征在于，包括：电源模块、IC模块、直流电压采样电路(1)、CPLD模块(2)和功率控制模块(3)，所述电源模块包括与高压变频器的直流输入端相连的开关电源、以及用于给控制板电路供电的低压工作电源；所述直流电压采样电路(1)与高压变频器的直流端相连以用于检测直流侧电压，直流电压采样电路(1)分别与功率控制模块(3)和功率控制模块(3)相连，所述CPLD模块(2)与IC模块相连，CPLD模块(2)通过驱动电路与功率控制模块(3)相连，以用于实现高电压穿越的控制。
9.根据权利要求8所述的用于高压变频器的高电压穿越控制系统，其特征在于：所述直流电压采样电路包括若干电阻以及运算放大器，所述运算放大器的同相输入端通过若干串联的电阻与高压变频器的直流端正极相连，运算放大器的反相输入端通过若干依次串联的另一组电阻与与高压变频器的直流端负极相连，运算放大器的输出端分别与CPLD模块(2)、功率控制模块相连，所述若干电阻的电阻值皆为470kΩ，以用于提高直流电压采样电路(1)的最高采样值。
10.根据权利要求8所述的用于高压变频器的高电压穿越控制系统，其特征在于：所述功率控制模块(3)包括IGBT芯片和若干电阻，所述IGBT芯片的关断信号端与彼此并联的电阻R170、电阻R137、电阻R65的一个公共端相连，彼此并联的电阻R170、电阻R137、电阻R65的另一个公共端通过彼此并联的电阻R139、电阻R68、电阻R171与IGBT芯片的开通信号端相连，以用于提高IGBT芯片开通和关断的驱动能力。
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