CN117394281A - 一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法及*** - Google Patents

一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法及***，包括以下步骤：获取直流母线电压交流成分的电压矢量；获取直流母线电压交流成分的基值角频率；获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值；根据直流母线电压交流成分的实际角频率和电网角频率的关系判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理；若需要，则根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。本发明用于解决现有变频器无输入缺相保护、无三相电压不平衡保护以及通过硬件保护额外增加成本、降低可靠性的技术问题，从而达到提高变频器运行可靠性的目的。

Description

一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法及***
技术领域
本发明涉及变频器保护技术领域，具体涉及一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法及***。
背景技术
三相电源输入的变频器拓扑结构如图1所示。图1中，L1、L2、L3为电源输入三相火线；REC为整流器，其作用是把输入的三相交流电整流成直流电；Reactor是电抗器，其作用是抑制输入电流的突变和改善输入功率因数；C为直流母线电容器，一般为电解电容或者聚丙烯薄膜电容，其作用是把含有纹波的整流后电压进行滤波，使之变为稳定的直流电压；IPM为逆变模块或者变频模块，其作用是把直流电压逆变成电机需要的交流电压；M为电机负载，可以是交流异步电机，或者是永磁同步电机，或者上述电机及其负载一体的风机、压缩机、泵类等负载。
现有变频器在三相电压输入缺相的情况下，另外两相电流在重载时容易超出设计范围，导致保险管烧毁，或者整流器损坏，或者直流母线电容过热损坏。或者在三相输入电压不平衡的情况下，电压最低的一相电流减小而电压最高的一相电流增加，也会在重载时超出设计范围，造成与缺相同样的结果。因此，为了防止缺相或三相不平衡带了的隐患，往往需要增加额外的硬件保护电路，但是这样会使电路设计复杂、成本增加，可靠性降低。
针对硬件解决方案所存在的不足，人们提出通过MCU采样直流母线电压，进行高通滤波后得出交流成分，然后进行过零点比较，求得交流成分的频率，进而在一个周期内计算出幅值大小，并且通过该频率和幅值进行判断是否缺相和三相电压不平衡，但这种做法存在误判的可能，可靠性差。另外该方案也难以识别出在什么情况下应该触发保护，原因如下：
正常工作时，由于电容器容量的限制，其两端电压即直流母线电压含有交流成分，交流成分的频率是输入电压频率的6倍，假设输入电压频率为50Hz，则直流母线交流成分的电压频率则为300Hz，其波形如图2所示。
当出现某一相断路，则直流母线电压交流成分的电源频率为输入电压的频率，其波形如图3所示。
当出现三相电压不平衡时，则直流母线电压交流成分的电源基波频率仍为输入电压的频率，但是还含有6次谐波成分，其大小与不平衡度有关。不同不平衡度的典型波形如图4和图5所示。其中，图4为不平衡度小的波形，图5为不平衡度大的波形。
通过上述三种情况可以发现，在缺相和无缺相运行时最容易判定，而在三相输入电压不平衡时比较难判断，难以识别出在什么情况下应该触发保护。
上述波形仅示意不同情况下的直流母线电压时间特征，实际情况由于输入电压频率波动、负载大小、变频器控制方式等多种因素影响，其波形并非理想曲线，从而加大了识别的难度。
综上所述，现有技术在不增加额外的硬件保护电路的情况下，缺乏针对变频器的输入缺相保护和三相电压不平衡保护的有效技术手段。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法及***，用于解决现有变频器无输入缺相保护、无三相电压不平衡保护以及通过硬件保护额外增加成本、降低可靠性的技术问题，从而达到提高变频器运行可靠性的目的。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，包括以下步骤：
获取直流母线电压交流成分的电压矢量；
获取直流母线电压交流成分的基值角频率；
获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值；
根据直流母线电压交流成分的实际角频率和电网角频率的关系判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理；
若需要，则根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。
作为本发明优选的实施方式，在获取直流母线电压交流成分的电压矢量时，包括：
MCU检测直流母线电压Vdc，通过低通滤波器LPF滤除交流成分，得到稳定的直流电压如公式1所示：
式中，ωLPF为低通滤波器的截止频率，取值范围为电源电压频率ωg的0.1～0.2倍，s为拉氏算子；
根据所述直流母线电压Vdc和所述稳定的直流电压得到交流成分的电压矢量如公式2所示：
作为本发明优选的实施方式，在获取直流母线电压交流成分的基值角频率时，包括：
获取直流母线电压交流成分的电压矢量的过零点的计数值，并根据MCU采样时间，得到基值角频率，如公式3所示：
式中，N为过零点的计数值，Ts为MCU采样时间，ω1为基值角频率。
作为本发明优选的实施方式，在获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值时，包括：
将直流母线电压交流成分的电压矢量分解成静止坐标系下的一对正交向量和/>
将所述正交向量和/>通过同步旋转坐标系变换成正交的直流信号/>和并通过比例积分控制相位角频率Δω，所述相位角频率Δω与基波角频率ω1的和，即实际角频率ω；
其中，通过积分器将所述实际角频率ω转换为相位角θ，所述相位角θ为所述静止坐标系转换为所述同步旋转坐标系所需要的角度；所述同步旋转坐标系下的q轴分量设定值为0，当等于0时则锁相环锁相稳定；所述同步旋转坐标系下的d轴分量/>为直流母线电压交流成分的幅值。
作为本发明优选的实施方式，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当所述实际角频率ω和所述电网角频率ωg满足：ω≥k1ωg时，则判断为电网三相输入电压正常，或者电压不平衡度在可接受的范围，变频器可正常运行；
其中，k1为程序设定的比例系数。
作为本发明优选的实施方式，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当所述实际角频率ω和所述电网角频率ωg满足：ω＜k1ωg时，则判断三相不平衡比较严重，可能会导致变频器发生故障，此时则需要根据直流母线电压交流成分获取直流母线电容器的纹波电流进行限流处理；
其中，k1为程序设定的比例系数。
作为本发明优选的实施方式，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当所述实际角频率ω和所述电网角频率ωg满足：ω＜k2ωg时，则判断三相不平衡非常严重甚至出现了缺相，此时则需要进行停机报警；
其中，k2为程序设定的比例系数。
作为本发明优选的实施方式，在根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护时，包括：
获取直流母线电容器的实际纹波电流，如公式4和公式5所示：
式中，ω为角频率，t为时间，为相位角，/>为直流母线电压交流成分的幅值，为直流母线电压交流成分的电压矢量，C为所述直流母线电容器的电容，iC为直流母线电容器的实际纹波电流；
通过所述实际纹波电流得到实际纹波电流的峰值，并基于所述实际纹波电流的峰值进行限电流处理。
作为本发明优选的实施方式，在得到实际纹波电流的峰值时，如公式6所示：
式中，ICM为实际纹波电流的峰值；
在基于所述实际纹波电流的峰值进行限电流处理时，包括：
当ICM≤ICM0-ΔIset1时，不做限电流处理；
当ICM≤ICMO-ΔIset2时，限制负载转速增加从而限制纹波电流增加；
当ICM≥ICM0时，降低负载转速从而减小纹波电流；
当ICM0-ΔIset2＜ICM＜ICM0时，维持当前转速；
其中，ICM0为直流母线电容器的额定纹波电流，ΔIset1、ΔIset2为设定的电流阈值。
一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护***，包括：
电压矢量获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的电压矢量；
基值角频率获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的基值角频率；
实际角频率和幅值获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值；
缺相和不平衡度判断单元：用于根据直流母线电压交流成分的实际角频率和电网角频率的关系判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理；
限流保护单元：用于在需要进行限流处理时，根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明是基于同步旋转坐标系的锁相环技术提取直流母线电压的交流成分频率、相位及幅值，其优点之一是具有较强的抗干扰能力，不受电源频率变化、幅值变化或者是两者同时变化的影响，也不受负载大小的影响；之二是准确度高，可准确提炼交流成分基波频率和6次谐波频率；
(2)本发明在不增加硬件成本的前提下，通过设计一种基于直流母线电压的检测算法，实现变频器的缺相及三相不平衡保护，从而提高了变频器的运行可靠性，对于产品质量提升具有重大意义；
(3)本发明有效防止了缺相或三相不平衡给变频器带来的隐患，避免了增加额外的硬件保护电路，进一步避免了使电路设计复杂、成本增加、可靠性降低。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1-是本发明背景技术的三相电源输入的变频器拓扑结构图；
图2-是本发明背景技术的直流母线电压交流成分第一波形图；
图3-是本发明背景技术的直流母线电压交流成分第二波形图；
图4-是本发明背景技术的直流母线电压交流成分不平衡度小下的波形图；
图5-是本发明背景技术的直流母线电压交流成分不平衡度大下的波形图；
图6-是本发明实施例的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法步骤图；
图7-是本发明实施例的直流母线电压交流成分的电压矢量的控制结构示意图。
具体实施方式
本发明所提供的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤S1：获取直流母线电压交流成分的电压矢量；
步骤S2：获取直流母线电压交流成分的基值角频率；
步骤S3：获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值；
步骤S4：根据直流母线电压交流成分的实际角频率和电网角频率的关系判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理；
步骤S5：若需要，则根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。
在上述步骤S1中，在获取直流母线电压交流成分的电压矢量时，包括：
MCU检测直流母线电压Vdc，通过低通滤波器LPF滤除交流成分，得到稳定的直流电压如公式1所示：
式中，ωLPF为低通滤波器的截止频率，取值范围为电源电压频率ωg的0.1～0.2倍，s为拉氏算子；
根据直流母线电压Vdc和稳定的直流电压得到交流成分的电压矢量/>如公式2所示：
在上述步骤S2中，在获取直流母线电压交流成分的基值角频率时，包括：
获取直流母线电压交流成分的电压矢量的过零点的计数值，并根据MCU采样时间，得到基值角频率，如公式3所示：
式中，N为过零点的计数值，Ts为MCU采样时间，ω1为基值角频率。
在上述步骤S3中，在获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值时，包括：
将直流母线电压交流成分的电压矢量分解成静止坐标系下的一对正交向量和/>
将正交向量和/>通过同步旋转坐标系变换成正交的直流信号Vdcd和/>并通过比例积分控制相位角频率Δω，相位角频率Δω与基波角频率ω1的和，即实际角频率ω；
其中，通过积分器将实际角频率ω转换为相位角θ，相位角θ为静止坐标系转换为同步旋转坐标系所需要的角度；同步旋转坐标系下的q轴分量设定值为0，当等于0时则锁相环锁相稳定；同步旋转坐标系下的d轴分量/>为直流母线电压交流成分的幅值。
在上述步骤S4中，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当实际角频率ω和电网角频率ωg满足：ω≥k1ωg时，则判断为电网三相输入电压正常，或者电压不平衡度在可接受的范围，变频器可正常运行；
其中，k1为程序设定的比例系数。
在上述步骤S4中，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当实际角频率ω和电网角频率ωg满足：ω＜k1ωg时，则判断三相不平衡比较严重，可能会导致变频器发生故障，此时则需要根据直流母线电压交流成分获取直流母线电容器的纹波电流进行限流处理；
其中，k1为程序设定的比例系数。
在上述步骤S4中，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当实际角频率ω和电网角频率ωg满足：ω＜k2ωg时，则判断三相不平衡非常严重甚至出现了缺相，此时则需要进行停机报警；
其中，k2为程序设定的比例系数。
在上述步骤S5中，在根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护时，包括：
获取直流母线电容器的实际纹波电流，如公式4和公式5所示：
式中，ω为角频率，t为时间，为相位角，/>为直流母线电压交流成分的幅值，为直流母线电压交流成分的电压矢量，C为直流母线电容器的电容，iC为直流母线电容器的实际纹波电流；
通过实际纹波电流得到实际纹波电流的峰值，并基于实际纹波电流的峰值进行限电流处理。
进一步地，在得到实际纹波电流的峰值时，如公式6所示：
式中，ICM为实际纹波电流的峰值；
在基于实际纹波电流的峰值进行限电流处理时，包括：
当ICM≤ICM0-ΔIset1时，不做限电流处理；
当ICM≤ICMO-ΔIset2时，限制负载转速增加从而限制纹波电流增加；
当ICM≥ICM0时，降低负载转速从而减小纹波电流；
当ICM0-ΔIset2＜ICM＜ICM0时，维持当前转速；
其中，ICM0为直流母线电容器的额定纹波电流，ΔIset1、ΔIset2为设定的电流阈值。
本发明所提供的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护***，包括：电压矢量获取单元、基值角频率获取单元、实际角频率和幅值获取单元、缺相和不平衡度判断单元以及限流保护单元。
电压矢量获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的电压矢量；
基值角频率获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的基值角频率；
实际角频率和幅值获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值；
缺相和不平衡度判断单元：用于根据直流母线电压交流成分的实际角频率和电网角频率的关系判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理；
限流保护单元：用于在需要进行限流处理时，根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。
以下的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的范围并不限制于此。
本实施例实现步骤一：获取直流母线电压交流成分的电压矢量
MCU检测直流母线电压Vdc，通过低通滤波器LPF滤除交流成分，得到稳定的直流电压如公式1所示：
式中，ωLPF为低通滤波器的截止频率，取值范围为电源电压频率ωg的0.1～0.2倍，s为拉氏算子。
然后，通过以下公式得到直流母线电压交流成分的电压矢量：
本实施例实现步骤二：获取直流母线电压交流成分的基值角频率ω1。
获取直流母线电压交流成分的电压矢量的过零点的计数值N，假定MCU采样时间为Ts，则可通过以下公式求的基值角频率ω1：
本实施例实现步骤三：获取直流母线电压交流成分的实际角频率ω及幅值
通过锁相环算法将直流母线电压中的交流电压矢量分解成一对静止坐标系(α-β坐标系)下正交向量/>和/>然后将该对正交向量通过同步旋转坐标系(d-q坐标系)变换成正交的直流信号/>和/>并且通过比例积分(PI)控制相位角频率Δω，该相位角频率Δω与基波角频率ω1的和即基波瞬时角频率(实际角频率)ω，将实际角频率ω通过积分器转换为相位角θ，相位角θ为静止坐标系转换为同步旋转坐标系所需要的角度。同步旋转坐标系下的q轴分量设定值为0，当/>等于0时则锁相环锁相稳定。同步旋转坐标系下的d轴分量/>为基波分量的幅值，其控制结构如图7所示。
本实施例实现步骤四：根据直流母线电压交流成分的实际角频率ω和电网角频率ωg的关系判断是否缺相和三相电压的不平衡度。
条件一：当ω≥k1ωg时则判断为电网三相输入电压正常，或者电压不平衡度在可接受的范围，变频器可正常运行；
条件二：当ω＜k1ωg时则说明三相不平衡比较严重，可能会导致变频器发生故障，此时则需要根据直流母线电压交流成分计算直流母线电容器的纹波电流进行限流处理，详见步骤五；
条件三：当ω＜k2ωg时则说明三相不平衡非常严重甚至出现了缺相，此时则需要进行停机报警。
以上k1、k2为程序设定的比例系数，上述条件也可转换为频率进行比较，角频率和频率都是同一概念，均在本发明的保护范围之内。本实施例设定k1＝4，k2＝3，设定其它参数也在本发明的保护范围之内。
本发明实现步骤五：根据电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。
当满足上述条件二时，需要依据直流母线电容器可承受的纹波电流能力来限制负载输出功率的大小，达到限制电容纹波电流的目的。
设定直流母线电容器的额定纹波电流为ICM0，直流母线电容器的实际纹波电流为iC，实际纹波电流的峰值为ICM，实际纹波电流为iC可根据公式(4)和(5)求取，进而求得实际纹波电流的峰值，如公式6所示：
然后，根据公式(6)做进一步的限电流处理，处理方式如下：
当ICM≤ICM0-ΔIset1时，不做限电流处理；
当ICM≤ICMO-ΔIset2时，限制负载转速增加从而限制纹波电流增加；
当ICM≥ICM0时，降低负载转速从而减小纹波电流；
当ICM0-ΔIset2＜ICM＜ICM0时，维持当前转速；
其中，ΔIset1、ΔIset2为设定的电流阈值，根据实际情况进行调整。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取直流母线电压交流成分的电压矢量；
获取直流母线电压交流成分的基值角频率；
获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值；
根据直流母线电压交流成分的实际角频率和电网角频率的关系判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理；
若需要，则根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。
2.根据权利要求1所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在获取直流母线电压交流成分的电压矢量时，包括：
MCU检测直流母线电压Vdc，通过低通滤波器LPF滤除交流成分，得到稳定的直流电压如公式1所示：
式中，ωLPF为低通滤波器的截止频率，取值范围为电源电压频率ωg的0.1～0.2倍，s为拉氏算子；
根据所述直流母线电压Vdc和所述稳定的直流电压得到交流成分的电压矢量/>如公式2所示：
3.根据权利要求1所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在获取直流母线电压交流成分的基值角频率时，包括：
获取直流母线电压交流成分的电压矢量的过零点的计数值，并根据MCU采样时间，得到基值角频率，如公式3所示：
式中，N为过零点的计数值，Ts为MCU采样时间，ω1为基值角频率。
4.根据权利要求1所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值时，包括：
将直流母线电压交流成分的电压矢量分解成静止坐标系下的一对正交向量/>和
将所述正交向量和/>通过同步旋转坐标系变换成正交的直流信号/>和/>并通过比例积分控制相位角频率Δω，所述相位角频率Δω与基波角频率ω1的和，即实际角频率ω；
其中，通过积分器将所述实际角频率ω转换为相位角θ，所述相位角θ为所述静止坐标系转换为所述同步旋转坐标系所需要的角度；所述同步旋转坐标系下的q轴分量设定值为0，当等于0时则锁相环锁相稳定；所述同步旋转坐标系下的d轴分量/>为直流母线电压交流成分的幅值。
5.根据权利要求1所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当所述实际角频率ω和所述电网角频率ωg满足：ω≥k1ωg时，则判断为电网三相输入电压正常，或者电压不平衡度在可接受的范围，变频器可正常运行；
其中，k1为程序设定的比例系数。
6.根据权利要求1所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当所述实际角频率ω和所述电网角频率ωg满足：ω＜k1ωg时，则判断三相不平衡比较严重，可能会导致变频器发生故障，此时则需要根据直流母线电压交流成分获取直流母线电容器的纹波电流进行限流处理；
其中，k1为程序设定的比例系数。
7.根据权利要求1所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理时，包括：
当所述实际角频率ω和所述电网角频率ωg满足：ω＜k2ωg时，则判断三相不平衡非常严重甚至出现了缺相，此时则需要进行停机报警；
其中，k2为程序设定的比例系数。
8.根据权利要求1或6所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护时，包括：
获取直流母线电容器的实际纹波电流，如公式4和公式5所示：
式中，ω为角频率，t为时间，为相位角，/>为直流母线电压交流成分的幅值，/>为直流母线电压交流成分的电压矢量，C为所述直流母线电容器的电容，iC为直流母线电容器的实际纹波电流；
通过所述实际纹波电流得到实际纹波电流的峰值，并基于所述实际纹波电流的峰值进行限电流处理。
9.根据权利要求8所述的用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护方法，其特征在于，在得到实际纹波电流的峰值时，如公式6所示：
式中，ICM为实际纹波电流的峰值；
在基于所述实际纹波电流的峰值进行限电流处理时，包括：
当ICM≤ICM0-ΔIset1时，不做限电流处理；
当ICM≤ICMO-ΔIset2时，限制负载转速增加从而限制纹波电流增加；
当ICM≥ICM0时，降低负载转速从而减小纹波电流；
当ICM0-ΔIset2＜ICM＜ICM0时，维持当前转速；
其中，ICM0为直流母线电容器的额定纹波电流，ΔIset1、ΔIset2为设定的电流阈值。
10.一种用于变频器缺相及三相电压不平衡的保护***，其特征在于，包括：
电压矢量获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的电压矢量；
基值角频率获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的基值角频率；
实际角频率和幅值获取单元：用于获取直流母线电压交流成分的实际角频率和幅值；
缺相和不平衡度判断单元：用于根据直流母线电压交流成分的实际角频率和电网角频率的关系判断是否缺相、三相电压的不平衡度以及是否需要限流处理；
限流保护单元：用于在需要进行限流处理时，根据直流母线电容器的纹波电流进行三相不平衡时的限流保护。
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