CN114928272A - 变频器飞车启动方法及其变频器 - Google Patents

变频器飞车启动方法及其变频器 Download PDF

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邢桢林
王亮平
李武君
李兴鹤
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Abstract

一种变频器飞车启动方法及其变频器。该方法包括以下步骤：变频器停止运行后对电机的剩磁电压进行锁幅及锁相处理；若锁相成功，则等待剩磁电压的相角θ为0时启动变频器，输出频率fo按照fs输出，输出电压Uo被赋初始值Us，然后按照速度追踪中调节输出电压的方式对输出电压Uo进行调节；若锁相不成功，则在剩磁电压的幅值Us小于等于预设的阈值Us0时直接启动变频器，并按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节，若Us大于Us0，则等待Us降低到小于等于Us0时启动变频器，按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节。本发明的飞车启动时间短，能避免飞车启动过程中变频器发生过流及过压保护。

Description

变频器飞车启动方法及其变频器
技术领域
本发明涉及变频器技术，尤其涉及变频器的飞车启动技术。
背景技术
异步电机因其结构简单、调速性能优越，目前已得到了广泛的应用。异步电机最常用的变频驱动方式是VF控制，VF控制以电机的稳态模型为基础，通过改变电机输入电压的幅值及频率，从而实现了电机的调速。VF控制是开环控制，具有实现简单、对电机参数不敏感、无需安装编码器等优点，调速性能也能够满足大部分的应用场合。
在许多应用场景中需要电机在非静止状态下启动，如大惯量风机电源闪断，此时电机仍处于旋转状态且转速未知，此时启动一般称为飞车启动。此时，若按照VF控制方法从零速启动电机，由于旋转磁场转速低于电机实际转速会造成电机处于发电状态，致使母线电压升高，变频器过压保护；若直接从额定转速启动，则由于旋转磁场高于电机实际转速，转差过大而转矩太小，电机的励磁容易造成变频器过流保护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种飞车启动时间短、能避免飞车启动过程中变频器发生过流及过压保护的变频器飞车启动方法。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种变频器。
本发明实施例提供了一种变频器飞车启动方法，包括以下步骤：
当变频器停止运行后，立即对与变频器相连的电机的剩磁电压进行锁幅处理及锁相处理，并记录剩磁电压的幅值Us、剩磁电压的相角θ、以及剩磁电压的电频率fs；
若锁相成功，则等待θ为0时启动变频器，变频器的输出频率fo按照fs进行输出，变频器的输出电压Uo被赋初始值Us，然后按照速度追踪中调节输出电压的方式对输出电压Uo进行调节；
若锁相不成功，则判断剩磁电压的幅值Us是否小于预设的阈值Us0，若Us小于等于Us0，则直接启动变频器，并按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节，若Us大于Us0，则等待Us降低到小于等于Us0时启动变频器，按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节。
一种变频器，包括：存储器，用于存储程序；处理器，用于加载该程序以执行上述的变频器飞车启动方法。
本发明至少具有以下优点：
1、本发明将剩磁电压检测与速度追踪结合，当变频器停止运行后通过检测剩磁电压，能够快速地计算出电机的旋转速度，从而缩短飞车启动时间，提高飞车启动的效率；
2、本发明将母线电压闭环控制引入到频率搜索的过程中，避免了飞车启动过程中变频器发生过压及过流保护；
3、本发明无需构建复杂的观测算法，实现简单，能够带来较好的启动效果。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的变频器飞车启动方法的流程示意图。
图2示出了根据本发明一实施例的剩磁电压锁相环结构示意图。
图3示出了根据本发明一实施例的变频器飞车启动方法调节输出频率和输出电压的流程示意图。
具体实施方式
在现有技术中，解决飞车启动易故障的方法包括采用速度追踪的方法，控制输出电压为比较低的值，然后不断降低输出频率(频率搜索)，当转矩电流最小时则认为已经搜索到转子的旋转频率，此时再切换到正常的VF去运行。
然而本发明的发明人经研究发现，上述方法存在缺陷，一方面，当转速较低时，从额定频率搜索到实际频率的时间较长，且当频率搜索不当时容易造成变频器过压保护；另一方面，电机停机后的一段时间内，转子上有一定的剩磁，在定子侧就会感应出一定的剩磁电压，此时若立即启动，输出电压与剩磁电压的相位不一致则会造成变频器过流保护。
此外，现有技术中解决飞车启动易故障的方法还包括采用观测器的方法，通过构造位置观测器计算转子位置。但是观测器算法比较复杂，而且对电机参数比较敏感，因此其普遍适用性不强。
综上所述，现有方法均无法有效解决飞车启动易故障的问题。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
请参阅图1。根据本发明一实施例的一种变频器飞车启动方法，包括以下步骤：
当变频器停止运行后，立即对与变频器相连的电机的剩磁电压进行锁幅处理及锁相处理，并记录剩磁电压的幅值Us、剩磁电压的相角θ、以及剩磁电压的电频率fs；
若锁相成功，则等待θ为0时启动变频器，变频器的输出频率fo按照fs进行输出，变频器的输出电压Uo被赋初始值Us，然后按照速度追踪中调节输出电压的方式对输出电压Uo进行调节；
若锁相不成功，则判断剩磁电压的幅值Us是否小于预设的阈值Us0，若Us小于等于Us0，则直接启动变频器，并按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节，若Us大于Us0，则等待Us降低到小于等于Us0时启动变频器，按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节。
异步电机停机后由于转子被磁化，转子剩磁场会维持一定时间，此时旋转的转子磁场切割定子线圈就会在定子的输入端产生感应电压，称为剩磁电压，通过检测该电压可以快速的计算出转子的转速及位置角度，此时若启动电机可以按照上述检测到的频率及位置进行输出，从而实现快速启动同时避免过压及过流。但是由于转子剩磁维持时间一般较短，因此若剩磁电压消失后再启动电机需要使用速度追踪的方法。本发明实施例便是这两种启动方法的结合。
在一种具体的实施方式中，对电机的剩磁电压进行锁幅处理包括以下步骤：
将从电机定子侧检测到的三相剩磁电压Ua、Ub、Uc进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的α轴剩磁电压Uα和β轴剩磁电压Uβ；
计算剩磁电压的幅值Us：
Figure BDA0003535350890000041
对与电机的剩磁电压进行锁相处理包括以下步骤：
计算电机的剩磁电压的相角θ：
Figure BDA0003535350890000042
计算电机的剩磁电压的角频率ω：
Figure BDA0003535350890000043
计算电机的剩磁电压的电频率fs：
Figure BDA0003535350890000044
其中，当ω稳定后则判断锁相成功。
在另一种具体的实施方式中，通过构建如图2所示的锁相环对与电机的剩磁电压进行锁相处理，具体包括以下步骤：
根据构建的锁相环获取电机的剩磁电压的角频率ω：
Figure BDA0003535350890000045
Kp为锁相环的比例放大系数，Ki为锁相环的积分放大系数，s为拉普拉斯算子；
计算电机的剩磁电压的电频率fs：
Figure BDA0003535350890000046
对剩磁电压的角频率ω进行积分，得到电机的剩磁电压的相角θ为:
θ＝∫ωdt
其中，当Uαcosθ-Uβsinθ小于预设的固定值时，则判断锁相成功。
锁相处理的方法不限于上述举例的两种方法，还包括其它的方法。由于变频器在停止运行状态，此时电机开路运行，剩磁电压的相角θ即为电机的电角度，剩磁电压的电频率fs即为电机的电频率。
由上述过程中可以得到当前电机的电频率以及电角度。当变频器停止运行后，立即开始对剩磁电压的锁幅、锁相处理，即可实时获得电机的剩磁电压幅值Us、电角度θ和电频率fs。若锁相成功，则表示电机存在剩磁电压，否则需要根据剩磁电压的幅值Us判断剩磁的存在情况。锁相成功后再次启动变频器时，为了与其他控制方案进行解耦，当电机的电角度θ为0时，即可启动变频器，其中输出频率从fs开始，起始角度从0开始，输出电压从Us开始。
速度追踪的方式分为输出频率fo调节(又称频率搜索)和输出电压Uo调节。
在一种具体的实施方式中，速度追踪中调节输出频率fo包括以下步骤：
实时监测变频器的母线电压Vdc，并从电机的额定频率开始逐渐减小，作为指令频率f；可选地，从电机的额定频率开始按照固定的步长逐渐减小，作为指令频率f，也就是说，变频器在当前控制周期的指令频率等于上一控制周期的指令频率减去一固定的频率步长；
若Vdc<Vdc0，则说明电机未进入发电状态，即电机转子的运行频率小于输出频率，则以指令频率作为变频器的实际输出频率，即，输出频率f。＝f；Vdc0为变频器停止运行后重新启动前的母线电压；
若Vdc≥Vdc0，则说明电机进入了发电状态，也就说明电机转子的实际频率高于变频器输出频率，则按照以下公式计算输出频率fo：
fo＝f+f1
其中，f1是以Vdc0为给定、以Vdc为反馈，通过对Vdc0与Vdc的差值进行PI调节后得到的输出频率调节量；
Figure BDA0003535350890000051
Kpf为频率调节量的PI控制器的比例放大系数，Kif为频率调节量的PI控制器的积分放大系数，s为拉普拉斯算子。
请结合图3所示。在一种具体的实施方式中，速度追踪中调节输出电压Uo包括以下步骤：
实时采集变频器的输出电流；
以一预设的固定值为电流给定值Iref，变频器的输出电流Io为反馈，通过PI控制对变频器的输出电压Uo进行动态调节，其中：
Figure BDA0003535350890000061
Kpi为输出电压的PI控制器的比例放大系数，Kii为输出电压的PI控制器的积分放大系数，s为拉普拉斯算子。
在调节过程中，不断比较输出电压Uo与输出频率fo所对应的VF曲线上的Ufo，当Uo与Ufo之间的误差小于设定值，说明此时的变频器输出频率与电机实际旋转频率一致，则切换到VF控制运行。
本实施方式的速度追踪方法采用了母线电压闭环控制和输出电流闭环控制，可防止变频器在速度追踪过程中过流或过压保护。
在一种具体的实施方式中，锁相成功时，等待θ为0时启动变频器，变频器的输出频率fo按照fs进行输出，变频器的输出电压Uo被赋初始值Us，然后按照速度追踪中调节输出电压的方式对输出电压Uo进行调节，在此调节过程中，不断比较输出电压Uo与输出频率fs所对应的VF曲线上的Ufs(Ufo等于Ufs)，当Uo与VF曲线中fs对应的电压Ufs一致(即Uo与Ufs之间的误差小于设定值)时，则切换到VF控制运行。
若锁相不成功，则判断剩磁电压的幅值Us是否小于预设的阈值Us0，若Us小于等于Us0，则直接启动变频器，并按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节，在输出频率fo和输出电压Uo的调节过程中，不断比较输出电压Uo与输出频率fo所对应的VF曲线上的Ufo，当Uo与Ufo之间的误差小于设定值，则切换到VF控制运行；若Us大于Us0，则等待Us降低到小于等于Us0时启动变频器，按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节，在输出频率fo和输出电压Uo的调节过程中，不断比较输出电压Uo与输出频率fo所对应的VF曲线上的Ufo，当Uo与Ufo之间的误差小于设定值，则切换到VF控制运行。
本发明的又一实施例还提供了一种变频器，包括存储器和处理器。存储器用于存储程序；处理器用于加载该程序以执行上述的变频器飞车启动方法。
本发明实施例将剩磁电压检测与速度追踪结合，当变频器停机后不断检测剩磁电压，当有剩磁电压时通过剩磁电压的幅值及相位确定转子的位置及转速，再次飞车启动时利用该位置及转速输出电压，实现快速启动。当无剩磁电压时基于电流环和母线电压环的速度追踪方法，防止启动过程中的过压及过流。通过上述方法实现全速度范围内的飞车启动。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种变频器飞车启动方法，其特征在于，包括：
当变频器停止运行后，立即对与所述变频器相连的电机的剩磁电压进行锁幅处理及锁相处理，并记录剩磁电压的幅值Us、剩磁电压的相角θ、以及剩磁电压的电频率fs；
若锁相成功，则等待θ为0时启动变频器，变频器的输出频率fo按照fs进行输出，变频器的输出电压Uo被赋初始值Us，然后按照速度追踪中调节输出电压的方式对输出电压Uo进行调节；
若锁相不成功，则判断剩磁电压的幅值Us是否小于预设的阈值Us0，若Us小于等于Us0，则直接启动变频器，并按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节，若Us大于Us0，则等待Us降低到小于等于Us0时启动变频器，按照速度追踪的方式进行输出频率fo和输出电压Uo的调节。
2.如权利要求1所述的变频器飞车启动方法，其特征在于，速度追踪中调节输出频率fo包括以下步骤：
实时监测变频器的母线电压Vdc，并从电机的额定频率开始逐渐减小，作为指令频率f；若Vdc<Vdc0，则输出频率f。＝f；若Vdc≥Vdc0，则按照以下公式计算输出频率fo：
fo＝f+f1
其中，f1是以Vdc0为给定、以Vdc为反馈，通过对Vdc0与Vdc的差值进行PI调节后得到的输出频率调节量，Vdc0为变频器停止运行后重新启动前的母线电压。
3.如权利要求1或2所述的变频器飞车启动方法，其特征在于，速度追踪的方式中调节输出电压Uo包括以下步骤：
实时采集变频器的输出电流；
以一预设的固定值为电流给定值，变频器的输出电流为反馈，通过PI控制对输出电压Uo进行动态调节；
在调节过程中，不断比较输出电压Uo与输出频率fo所对应的VF曲线上的Ufo，当Uo与Ufo之间的误差小于设定值，则切换到VF控制运行。
4.如权利要求2所述的变频器飞车启动方法，其特征在于，所述的从电机的额定频率开始逐渐减小，作为指令频率f是指：从电机的额定频率开始按照固定的步长逐渐减小，作为指令频率f。
5.如权利要求1所述的变频器飞车启动方法，其特征在于，所述的对与所述变频器相连的电机的剩磁电压进行锁幅处理包括以下步骤：
将从电机定子侧检测到的三相剩磁电压Ua、Ub、Uc进行坐标变换，得到两相静止坐标系下的α轴剩磁电压Uα和β轴剩磁电压Uβ；
计算剩磁电压的幅值Us：
Figure FDA0003535350880000021
6.如权利要求5所述的变频器飞车启动方法，其特征在于，所述的对与所述变频器相连的电机的剩磁电压进行锁相处理包括以下步骤：
计算电机的剩磁电压的相角θ：
Figure FDA0003535350880000022
计算电机的剩磁电压的角频率ω：
Figure FDA0003535350880000023
计算电机的剩磁电压的电频率fs：
Figure FDA0003535350880000024
其中，当ω稳定后则判断锁相成功。
7.如权利要求5述的变频器飞车启动方法，其特征在于，所述的对与所述变频器相连的电机的剩磁电压进行锁相处理包括以下步骤：
根据构建的锁相环获取电机的剩磁电压的角频率ω：
Figure FDA0003535350880000025
Kp为锁相环的比例放大系数，Ki为锁相环的积分放大系数，s为拉普拉斯算子；
计算电机的剩磁电压的电频率fs：
Figure FDA0003535350880000031
对剩磁电压的角频率ω进行积分，得到电机的剩磁电压的相角θ为:
Figure FDA0003535350880000032
其中，当Uαcosθ-Uβsinθ小于预设的固定值时，则判断锁相成功。
8.如权利要求1所述的变频器飞车启动方法，其特征在于，所述电机为异步电机。
9.一种变频器，其特征在于，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1至8中任何一项所述的变频器飞车启动方法。
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