CN102856884B - 基于热积累的变频器过载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热积累的变频器过载方法，该方法的步骤是：（1）根据硬件设计计算出符合硬件实际条件的包括散热能力、热平衡周期和过载能力的数据；（2）使用滑窗的办法，通过积分计算每个最新的热平衡周期内所有电流基于功耗和温升的热积累；（3）根据实际测试得到的过载能力的结果对过载阀值做出修正计算；（4）将计算得到的一个热平衡周期内的热积累值与修正过的过载阀值进行比较，超过则认为是过载。经过上述步骤，实现对变频器过载的保护控制。本发明通过对硬件发热散热的计算以及对一个热平衡周期内电流的热效应的累积值计算，能准确反映具体变频器的过载能力，同时有效保护变频器硬件不因过载而损坏。
Description
技术领域
本发明涉及变频器的过载保护技术，特别是涉及一种基于热积累的变频器过载方法。
背景技术
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，变频器已经广泛地应用于交流电动机的无级调速。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高频率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点面被国内外认为是最有前途的调速方式，在钢铁、化工、纺织、机械电力、造纸等各个行业中被广泛使用。
一般变频器都有一定的过载能力，因为使用过程中电流多少都会有一定的波动范围，或多或少都会出现电流超过额定电流的情况，若短时工作在过载情况下，其程度不会立即对变频器或负载设备造成损害，但是如果任由***长时间工作在超过其额定电流的情况下，不论是绝缘还是各部件的机械强度都将迅速降低，加速***的老化，而且机械性能、电接触性能的降低又会给其它类型的故障提供了可能性，给设备带来很大的破坏。所以过载保护是变频器的一项重要保护功能。但由于负载种类的千差万别，负载变化方式多种多样，过载保护算法很难得到有效的解决。
目前，国产及日系变频器的过载算法基本上都是根据热量定义一条反时限曲线，过载倍数越大，过载时间越短。控制流程中，首先判断电流是否满足过载条件，然后按照过载时间进行计时处理，如果在过载故障报出之前，电流降低了，则将过载时间减少。这种方法只是过载数学模型，只描述在过载情况下电流与动作时间之间的反时限关系，没有考虑散热周期，也没有考虑不同电流和条件下散热的不同，不能正确反映非过载及临界过载电流的热效应对反时限动作时间的影响，可能导致硬件已烧坏但过载故障没有报出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于热积累的变频器过载方法，以克服上述现有技术存在的缺陷。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于热积累的变频器过载方法，其步骤包括：
（1）根据硬件设计计算出符合硬件实际条件的包括散热能力、热平衡周期和过载能力的数据；
（2）使用滑窗的办法，通过积分计算每个最新的热平衡周期内所有电流基于功耗和温升的热积累；
（3）根据实际测试得到的过载能力的结果对过载阀值做出修正计算；
（4）将计算得到的一个热平衡周期内的热积累值与修正过的过载阀值进行比较，超过则认为是过载；
经过上述步骤，实现对变频器过载的保护控制。
本发明实现步骤（1）的方法可以是：根据功率模块特性以及结构外观尺寸计算额定和不同过载时热损耗值；在保证不超过功率模块温升40℃条件下，结合CAE仿真和计算值，制定过载能力和热平衡周期。
本发明实现步骤（2）的方法可以是：实时采样电流有效值并对1s内数据做平均值滤波处理后存入数组，计算其I2t值，并计算当前热平衡周期内累积的I2t值与过载阀值进行比较判断；当累积运行时间超过一个热平衡周期后，每秒钟采集计算得到新的电流值，然后用新的电流值取代最早时间的电流值，并计算其I2t值，从而保证累积的I2t值始终是当前这个热平衡周期内的最新值，保证过载保护的实时性。
本发明实现步骤（3）的方法可以是：通过给变频器加不同倍数的负载做过载实验，得到一系列的变频器实际过载能力的实验数据，根据实验结果对过载阀值做一定的修正计算，使得最后的程序执行结果真正满足实际硬件条件。
所述步骤（4）中，在过载的情况下，操作者根据用户的设定，可以选择不动作、报警或者报故障停机封锁。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
其一.充分考虑具体硬件的发热和散热能力，适合任意负载电流，解决了常用的反时限特性曲线只描述在过载情况下电流与动作时间之间的反时限关系，不能正确反映非过载及临界过载电流的热效应对反时限动作时间的影响从而导致不能有效保护硬件的问题。
其二.通过对硬件发热散热的计算以及对一个热平衡周期内电流的热效应的累积值计算，能准确反映具体变频器的过载能力，解决了变频器负载电流频繁过载与非过载时传统反时限过载算法无法有效保护硬件的问题，同时有效保护变频器硬件不因过载而损坏。
设计工作完成后，我们给各功率段变频器加了不同倍数的负载做过载实验，并且频繁切换负载电流大小，因为设计中特意留出了一定余量，每次当功率模块温升达到38℃左右时，变频器即会报过载，这充分证明了过载算法适合任意负载电流，并且符合硬件实际发热散热情况，能准确反映变频器的过载能力，并真正有效保护硬件不因过载而损坏。
总之，本发明能准确反映变频器的过载能力，即在硬件允许的条件下使变频器具有较强的过载能力，同时有效保护变频器硬件不因过载而损坏。
附图说明
图1是本发明典型的轻载过载运行周期。
图2是本发明典型的重载过载运行周期。
图3是本发明的程序流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
过载的基本特征是温升超过额定温升，过载保护的目的是使硬件不因过热而烧坏。
本发明的理论基础为对输出电流进行I2t计算，该值反映了变频器功耗和温升的累积。
其理论公式如下：
其中，
I(t)是变频器输出电流有效值的时间函数；
IRated是变频器的额定输出电流；
KD是电流降额因子；
T是一个热平衡周期。
在实际编写程序时，为简化计算，对以上公式进行了离散化处理，使用n个恒流阶段作为替代值。具体的计算公式简化如下：
其中，
I1-In为变频器一个散热周期内各个时间点的输出电流；
IRated为变频器的额定输出电流；
T1-Tn为每个输出电流的持续时间；
T为一个热平衡周期，由散热设计人员根据硬件设计条件计算提供；
KD为降额因子，也是由散热设计人员根据硬件设计条件计算提供。
本实施例以中冶南方（武汉）自动化有限公司研发的变频器EC550系列为例，其额定温升定义为40℃，通过CAE仿真计算出额定功率下功率模块温升。则过载时间为t时的温升：
式中：为功率模块的热时间常数。是散热器热阻，是散热器热容。
由瞬态热阻抗 ， ，，
是过载时间为t时的温升
是额定功率下的温升
是过载时热损耗差
根据上式过载功耗与时间关系的函数计算出过载能力及热平衡周期T。
KD的设定数值是通过热仿真软件和功耗计算软件计算所得，然后参考最终试验数据进行了一定的修正。该值与环境温度、海拔高度和脉冲频率有关。在不需要降额使用的情况下其值取为1。
为保证过载保护的准确性，同时考虑到dsp的内存占用量和电流的变化曲线，程序中实时采样电流有效值并取其1s内的平均值存入数组，计算其I2t值，并计算当前热平衡周期内累积的I2t值与过载阀值进行比较判断。在整个程序中采用滑窗的方式，当累积运行时间超过一个热平衡周期后，每秒钟采集计算得到新的电流值，然后用新的电流值取代最早时间的电流值，并计算其I2t值，从而保证累积的I2t值始终是当前这个热平衡周期内的最新值，保证了过载保护的实时性。
因为每款不同功率变频器的硬件设计或多或少都有区别，为了最切实地反映变频器的过载能力，我们通过给各功率段变频器加不同倍数的负载做过载实验，得到一系列的变频器实际过载能力的实验数据，根据实验结果对过载阀值做了一定的修正计算，确保最后的程序执行结果能最真实地反映变频器的实际过载能力，并有效保护硬件。
所述中冶南方（武汉）自动化有限公司自主研发的EC550系列变频器，其功能强大，结构布局合理。该变频器主要由功率板、散热器、电抗器和控制盒组成，其中：功率板通过定制的铝型材散热器单独散热，散热器放在独立的风道中，以24V轴流双风扇对其进行直接的吹风散热，同时电抗器放置在散热器前端，能够让电抗器保持较低的温度。控制板与功率板分层放置，控制板装配在专门的控制盒中，隔绝了外部热源，同时控制盒中有独立的抽风***，杜绝了控制盒中热量聚集的可能，有效的降低控制板温度，延长了器件寿命，提高了***稳定性和可靠性。
由上述实施例可知，本发明充分考虑具体硬件的发热和散热能力，适合任意负载电流，解决了常用的反时限特性曲线只描述在过载情况下电流与动作时间之间的反时限关系，不能正确反映非过载及临界过载电流的热效应对反时限动作时间的影响，从而导致不能有效保护硬件的问题。
Claims (4)
1.一种基于热积累的变频器过载方法，其特征是采用包括以下步骤的方法：
（1）根据硬件设计计算出符合硬件实际条件的包括散热能力、热平衡周期和过载能力的数据；
（2）使用滑窗的办法，通过积分计算每个最新的热平衡周期内基于电流的热积累，该热积累值反映了变频器功耗和温升的累积,其具体方法是：实时采样电流有效值并对1s内数据做平均值滤波处理后存入数组，计算其I2t值，并计算当前热平衡周期内累积的I2t值与过载阀值进行比较判断；当累积运行时间超过一个热平衡周期后，每秒钟采集计算得到新的电流值，然后用新的电流值取代最早时间的电流值，并计算其I2t值，从而保证累积的I2t值始终是当前这个热平衡周期内的最新值，保证过载保护的实时性；
（3）根据实际测试得到的过载能力的结果对过载阀值做出修正计算；
（4）将计算得到的一个热平衡周期内的热积累值与修正过的过载阀值进行比较，超过则认为是过载；
经过上述步骤，实现对变频器过载的保护控制。
2.根据权利要求1所述的基于热积累的变频器过载方法，其特征是实现步骤（1）的方法是：根据功率模块特性以及结构外观尺寸计算额定和不同过载时热损耗值；在保证不超过功率模块温升40℃条件下，结合CAE仿真和计算值，制定过载能力和热平衡周期。
3.根据权利要求1所述的基于热积累的变频器过载方法，其特征是实现步骤（3）的方法是：通过给变频器加不同倍数的负载做过载实验，得到一系列的变频器实际过载能力的实验数据，根据实验结果对过载阀值做一定的修正计算，使得最后的程序执行结果真正满足实际硬件条件。
4.根据权利要求1所述的基于热积累的变频器过载方法，其特征是所述步骤（4）中，在过载的情况下，操作者根据用户的设定选择不动作，报警或者报故障停机封锁。
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