CN1719717A - 变频调速***瞬间掉电再起动方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及变频调速技术,特别涉及高压变频调速***瞬间掉电再起动方法及***。本发明解决了现有变频调速***,在发生瞬间掉电时,再起动时间长,效率低,再起动过程中电流冲击大的缺点,公开了一种变频调速***瞬间掉电再起动方法及装置。本发明技术方案的要点是,根据检测到的电动机自由旋转产生的残压频率,将变频器的输出电压,恒频升压到其残压频率对应的额定V/F曲线电压值,然后再按正常起动程序加速致***频率。本发明同时提供了实现上述方法的装置。本发明的有益效果是,再起动时间短,提高了***的工作效率,起动过程平稳,不会对负载产生冲击,不会产生过流,特别适合高压大功率变频调速***。
Description
技术领域
本发明涉及变频调速技术,特别涉及高压变频调速***瞬间掉电再起动方法及***。
背景技术
高压变频器是工业上对电动机进行控制、调速的重要设备。级联式高压变频器主要包括:多段移相变压器、IGBT逆变电桥、光纤波形驱动与保护电路、主控计算机、辅助计算机、可编程控制与裁决故障的PLC及控制接口电路。在此,我们不妨把主控计算机、辅助计算机、可编程控制与裁决故障的PLC及控制接口电路等统称为变频器的控制***,把IGBT逆变电桥、光纤波形驱动与保护电路称为变频器的功率单元。级联式高压变频器的基本工作原理是,控制***向功率单元输出PWM脉冲,通过功率单元叠加,输出频率和电压可调的波形,拖动电动机运转。变频器及其拖动的电动机组成了变频调速***。
变频调速***的工业使用现场复杂,工艺要求多样,除正常运行时的性能要求外,当供电***发生瞬间掉电(瞬间停电、瞬间欠电压以及瞬间缺相等)时,变频器一般在数百毫秒内停止输出。而当电网电压在短时间内恢复正常后,带大转动惯量负载的电动机会继续旋转相当长的时间,导致变频器无法正常起动。为了改善这一现象,在电网电压很快恢复时,要求变频调速***具备立即再起动的功能,以满足生产工艺的要求。
现有技术采用的方法是:
(1)让电机自由停车,然后按照正常起动程序加速至设定的转速。这种方法效率很低,特别是大惯性负载,如风机等,电动机将会旋转很长时间才能停止,这大大降低了生产效率,影响了生产工艺的连续性,增加了不必要的经济损失。
(2)通过外加机械制动或者直流制动使电动机和负载快速停止,以减少电动机自由旋转时间。这种方法所需的再起动时间较短,但效率仍很低,而且需要增加制动装置和额外的检测电路,来检测电机是否已停止,这并不是理想的再起动方法。
(3)对电机残压频率不进行实时检测,而是根据变频器额定V/f曲线所划分的四个区域的模糊控制表来追踪电机频率。这种方法对停电时间的依赖性降低很多,但采用模糊控制跟踪频率容易引起很大的电流冲击,甚至引起过电流保护,这种方式的瞬时停电再起动方法并不适用于高压大功率变频器。
综上所述,现有技术的主要缺点是,再起动时间长,效率低,再起动过程中电流冲击大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题,就是针对现有技术再起动时间长,效率低的缺点,提供一种起动过程平稳,起动时间短,效率高的变频器瞬间掉电再起动方法及装置。
本发明为解决其技术问题采用的技术方案是,变频调速***瞬间掉电再起动方法,包括如下步骤:
a.设置***频率f0,允许瞬间掉电时间阈值t1,允许恒频升压时间阈值t3,允许最小起动频率f1;
b.当电网掉电时,控制***立即停止变频器输出,并开始记录掉电时间tf,同时实时检测电动机自由旋转产生的残压频率f1 *;
c.当tf>t1时,控制***发出停机指令,变频器不再驱动电动机,若tf≤t1,执行下面步骤;
d.电网电压恢复时,若f1 *<f1,变频器按正常起动程序,从f1加速到***频率f0;
e.若f1 *≥f1,变频器保持f1 *不变,在时间t3内将输出电压逐渐升压到变频器额定V/F曲线对应的电压v1 *,然后按正常起动程序从f1 *加速到***频率f0。
本发明同时提供了变频调速***瞬间掉电再起动装置,其技术方案包括变频器及其拖动的电动机,电网电压检测电路,残压频率检测电路及信号处理电路;所述电网电压检测电路输入端与电网连接,输出端与信号处理电路连接;所述残压频率检测电路输入端与电动机连接,输出端与信号处理电路连接;所述信号处理电路输出端与变频器控制***连接。
本发明的有益效果是,再起动时间短,提高了***的工作效率,起动过程平稳,不会对负载产生冲击,不会产生过流,特别适合高压大功率变频调速***。
附图说明
图1是步进式恒频升压过程示意图;
图2是本发明的变频调速***结构示意图;
图3是信号处理电路结构图;
图4是***频率f0为10Hz时瞬间掉电再起动的电流波形;
图5是***频率f0为20Hz时瞬间掉电再起动的电流波形;
图6是***频率f0为30Hz时瞬间掉电再起动的电流波形;
图7是***频率f0为40Hz时瞬间掉电再起动的电流波形;
图8是***频率f0为50Hz时瞬间掉电再起动的电流波形。
具体实施方式
下面结合附图及实施例,详细描述本发明的技术方案。
本发明的变频调速***瞬间掉电再起动方法,包括如下步骤:
a.设置***频率f0,允许瞬间掉电时间阈值t1,允许恒频升压时间阈值t3,允许最小起动频率f1;
b.当电网掉电时,控制***立即停止变频器输出,并开始记录掉电时间tf,同时实时检测电动机自由旋转产生的残压频率f1 *;
c.当tf>t1时,控制***发出停机指令,变频器不再驱动电动机,若tf≤t1,执行下面步骤;
d.电网电压恢复时,若f1 *<f1,变频器按正常起动程序,从f1加速到***频率f0;
e.若f1 *≥f1,变频器保持f1 *不变,在时间t3内将输出电压逐渐升压到变频器额定V/F曲线对应的电压v1 *,然后按正常起动程序从f1 *加速到***频率f0;
所述步骤e中,输出电压升压到电压v1 *的过程采用步进式升压方法;
在所述步骤d、e中,实时监测变频器是否过流,过流则停止再起动过程;
在所述步骤d、e中,如果再次发生电网掉电,***返回步骤b。
本发明的变频调速***瞬间掉电再起动装置,包括变频器及其拖动的电动机,电网电压检测电路,电动机残压检测电路及信号处理电路;所述电网电压检测电路输入端与电网连接,输出端与信号处理电路连接;所述电动机残压检测电路输入端与电动机连接,输出端与信号处理电路连接;所述信号处理电路输出端与变频器控制***连接;
所述电网电压检测电路为电压互感器或霍尔传感器;
所述电动机残压检测电路为电压互感器或霍尔传感器;
所述信号处理电路包括电网电压检测信号处理电路,电动机残压信号处理电路以及信号逻辑处理单元308;所述电网电压检测信号处理电路包括顺序连接的EMC电路301、信号整流电路302、信号变换电路303和光电隔离电路304;所述光电隔离电路304与信号逻辑处理单元308连接;所述信号逻辑处理单元308与变频器控制***连接;所述电动机残压信号处理电路包括顺序连接的EMC电路309、信号滤波电路305、信号变换电路306和光电隔离电路307;所述光电隔离电路307与信号逻辑处理单元308连接;
所述变频调速***为级联式高压变频调速***。
实施例
在变频器控制***中,通过人机界面设置一个***设定频率值f0,并设置允许瞬时停电时间阈值t1,允许恒频升压时间阈值t3,允许最小起动频率f1,根据负载特性,f1可设置范围为:0Hz~电动机额定频率。考虑的电动机处于自由旋转状态时,残压跌落很快,有可能导致搜索到的残压频率f1 *不准确,在设定参数t1时,应考虑残压的衰减特性,确定t1的大小。
起动变频器后,使***逐渐加速到f0,进入正常运行状态,控制***实时保存变频器输出频率值。
当供电***的高压进线掉电,电机进入自由旋转状态时,变频调速***通过电网电压检测电路,电动机残压检测电路,检测到掉电信号和电动机残压信号输入控制***。控制***得到掉电信号后立即停止变频器输出,以保证能量在预期的时间范围内不会被消耗掉,同时控制***记录掉电时间,并根据检测到的电动机残压信号,实时计算残压频率f1 *,并等待供电***高压进线的来电信号。
控制***收到来电信号后,判断掉电时间是否超过允许瞬间掉电时间阈值t1,若超过,变频器控制***发出故障指令,不再运行电动机;若没有超过,则根据此时搜索到的残压频率f1 *的大小执行下面步骤:若f1 *<f1,变频器按正常起动程序,从f1加速到***频率f0;若f1 *≥f1,变频器保持f1 *不变,在允许恒频升压时间阈值t3内,发送一段含有恒频升压控制信息的特殊PWM脉冲,对变频器进行恒频升压,当变频器输出电压达到变频器额定V/F曲线对应的电压v1 *时,恒频升压过程结束。变频调速***转入正常起动状态,变频器从搜索到的残压频率值f1 *逐渐加速至***频率f0,变频器瞬间掉电再起动过程结束。为了保证变频调速***的安全,***在恒频升压过程中,以及变频器从搜索到的残压频率值f1 *逐渐加速至***频率f0的过程中,控制***都会实时监测变频器是否过流,如果过流则停止变频器工作。
若在上述起动过程中,再次出现电网掉电,***返回到步骤b重新开始起动过程。
上述恒频升压过程(步骤e)如图1所示,图中,f0为变频调速***额定频率,v0为额定频率f0所对应的V/f曲线电压,f1 *为搜索到的残压频率,v1 *为搜索到的残压频率f1 *所对应的V/f曲线电压。
变频器最初加给电动机的电压,是实时搜索到的残压频率f1 *所对应的电压v1 *的1/N(N为自然数)倍,即初加电压为1v1 */N;若变频器过流,控制***发出故障指令,不再运行电动机,如变频器不过流,则再将电压逐渐加到v1 *的2/N倍,即电压为2v1 */N;若过流则发出故障指令,不再运行电动机,如***不过流,则再将电压逐渐加至v1 *的3/N倍,即电压为3v1 */N;依次类推,所加电压为(N-2)v1 */N,(N-1)v1 */N,直到加至f1 *所对应的电压v1 *的N/N倍,即电压为v1 *时,恒频升压过程结束。
图2示出了本发明的***结构。图中:
1是移相变压器,2是变频器功率单元,3是变频器的控制***,4是三相异步电动机,5是电网电压检测电路,6电动机残压检测电路,7信号处理电路。
移相变压器1与高压进线6kV或10kV相连接,高压经移相变压器降压后为变频器功率单元2提供交流电源,控制***3输出脉冲宽度调制(PWM)信号,控制功率单元2的输出脉冲波形,功率单元2的输出波形经过叠加就可以得到接近正弦波的电压波形来拖动电动机4旋转。电网电压检测电路5的输入端连接移相变压器的原边,即与电网连接,输出端与信号处理电路7相连,残压频率检测电路6的输入端与电动机相连,输出端连接信号处理电路7;信号处理电路7与控制***3连接。
当电网瞬间掉电时,信号处理电路7根据电网电压检测电路5的输出信号,经过信号处理及逻辑判断,向控制***3输出高压掉电信号,同时,信号处理电路7根据电动机残压检测电路6的输出信号,经过信号处理及逻辑判断,向控制***3输出电动机4的残压信号。当高压进线恢复时,信号处理电路7向控制***3输出高压来电信号。控制***3根据信号处理电路7的输出信号作出判断,并发出PWM脉冲。
图3是信号处理电路的框图。图中,信号处理电路包括2路结构相同的EMC电路301、信号整流电路302、信号变换电路303和光电隔离电路304组成的电网电压检测信号处理电路;EMC电路309、信号滤波电路305、信号变换电路306和光电隔离电路307组成的电动机残压信号处理电路;以及信号逻辑处理单元308。
与变压器原边相连接的电网电压检测电路(图中未示出)由电压互感器构成,是将电源高压转变为低压的装置,其输出的信号为可能带有干扰的正弦波,该信号与信号处理电路的输入端口相连,经过EMC电路301滤除杂波,EMC电路301输出信号再经过信号整形电路302对信号进行整形,将所得到的信号再经过信号变换电路303进行电平调整,最后经过光电隔离电路304变为干净的信号,将此信号输入给信号逻辑处理单元308,判断是否掉电或者来电,并将掉电或来电信号输出给控制***3。
由电压互感器构成的电动机残压检测电路(图中未示出)与电动机4连接,它是将电动机自由旋转产生的的残压,转变为低压的装置,其输出的信号为可能带有干扰的正弦波,该信号经EMC电路309滤除杂波,再经过信号滤波电路305将其变为平滑的正弦波,接着再经过信号变换电路306进行电平调整,最后经过光电隔离电路307输入给信号逻辑处理单元308,经过逻辑处理输出给控制***。
图4~图8分别是***频率f0为10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz时,变频调速***瞬间掉电再起动过程的电流波形。上述电流波形是在高压电源停电时间≤10秒,将电动机重新拖动至上述***频率f0时得到的一组试验波形。所有的试验波形中,横坐标为时间;纵坐标为电流。试验结果不但进一步验证了本发明的瞬间掉电再起动方案的可行性和有效性,还表明本发明所述的***和方法能够快速地检测到高压掉电/来电状态,并可靠准确地搜索到发生瞬时掉电后电动机的转速。***实现再起动时冲击电流小,再起动过程短,不会引起变频器过流保护。
本例的电网电压检测电路及电动机残压检测电路,均采用电压互感器,根据本领的域常识,也可以采用霍尔传感器作为电压检测元件。由于具体电路属于本领域常规技术,本发明不再给出具体电路原理图。
Claims (10)
1.变频调速***瞬间掉电再起动方法,包括如下步骤:
a.设置***频率f0,允许瞬间掉电时间阈值t1,允许恒频升压时间阈值t3,允许最小起动频率f1;
b.当电网掉电时,控制***立即停止变频器输出,并开始记录掉电时间tf,同时实时检测电动机自由旋转产生的残压频率f1 *;
c.当tf>t1时,控制***发出停机指令,变频器不再驱动电动机,若tf≤t1,执行下面步骤;
d.电网电压恢复时,若f1 *<f1,变频器按正常起动程序,从f1加速到***频率f0;
e.若f1 *≥f1,变频器保持f1 *不变,在时间t3内将输出电压逐渐升压到变频器额定V/F曲线对应的电压v1 *,然后按正常起动程序从f1 *加速到***频率f0。
2.根据权利要求1所述的变频调速***瞬间掉电再起动方法,其特征在于:所述步骤e中,输出电压升压到电压v1 *的过程采用步进式升压方法。
3.根据权利要求1或2所述的变频调速***瞬间掉电再起动方法,其特征在于:在所述步骤d、e中,实时监测变频器是否过流,过流则停止再起动过程。
4.根据权利要求3所述的变频调速***瞬间掉电再起动方法,其特征在于:在所述步骤d、e中,如果再次发生电网掉电,***返回到步骤b。
5.根据权利要求1或2所述的变频调速***瞬间掉电再起动方法,其特征在于:在所述步骤d、e中,如果再次发生电网掉电,***返回到步骤b。
6.变频调速***瞬间掉电再起动装置,包括变频器及其拖动的电动机,其特征在于:还包括电网电压检测电路,电动机残压检测电路及信号处理电路;所述电网电压检测电路输入端与电网连接,输出端与信号处理电路连接;所述电动机残压检测电路输入端与电动机连接,输出端与信号处理电路连接;所述信号处理电路输出端与变频器控制***连接。
7.根据权利要求6所述的变频调速***瞬间掉电再起动装置,其特征在于:所述电网电压检测电路为电压互感器或霍尔传感器。
8.根据权利要求6所述的变频调速***瞬间掉电再起动装置,其特征在于:所述电动机残压检测电路为电压互感器或霍尔传感器。
9.根据权利要求6所述的变频调速***瞬间掉电再起动装置,其特征在于:所述信号处理电路包括电网电压检测信号处理电路,电动机残压信号处理电路以及信号逻辑处理单元(308);所述电网电压检测信号处理电路包括顺序连接的EMC电路(301)、信号整流电路(302)、信号变换电路(303)和光电隔离电路(304);所述光电隔离电路(304)与信号逻辑处理单元(308)连接;所述信号逻辑处理单元(308)与变频器控制***连接;所述电动机残压信号处理电路包括顺序连接的EMC电路(309)、信号滤波电路(305)、信号变换电路(306)和光电隔离电路(307);所述光电隔离电路(307)与信号逻辑处理单元(308)连接。
10.根据权利要求6、7、8或9所述的变频调速***瞬间掉电再起动装置,其特征在于:所述的变频调速***为级联式高压变频调速***。
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