1 引言 在高壓變頻器的應用中，有許多場合都要用到“飛車啟動”的功能。“飛車啟動”通俗的講，也就是轉速跟蹤。也就是說對旋轉中的電機實施再啟動。如： （1） 轉動慣量比較小的場合。典型負載如風機，它的機械慣性比較小，輕微的自然風就可能使其自然旋轉，而對于無此功能的變頻器，要投入運行，可能會出現過流保護，必須等待電機完全靜止后再啟動，而這勢必會耽誤調試或生產時間。 （2） 對于一個風道采用兩個風機引風的場合，在停止一臺風機時，另一臺也會拖動停止的風機旋轉，要想停下勢必要兩臺風機都停下，這樣就比較麻煩。 （3） 對于一拖多的場合，當然這種場合可能較少，有時會用到變頻轉工頻、工頻轉變頻的場合，也需要檢測轉速，實施跟蹤控制。 （4） “星點漂移”功能是在高壓變頻器運行過程中，當其中一個單元發生故障時，由于具有單元旁路功能，可暫時旁路而降額運行，但損壞單元的這一相勢必電壓降低，與其他兩相電壓不平衡，造成電機端電流不平衡，不能長期運行。 因此“飛車啟動”和“星點漂移”功能在變頻器的安裝、調試及工業生產中有著比較重要的意義，隨著技術的不斷進步、科研的不斷深化，這兩項功能正逐步應用到變頻器實踐中，形成了高壓變頻器的一個特色。 2 “飛車啟動”的原理及難點 高壓變頻器“飛車啟動”是在電機定子與變頻器或工頻電網都脫離時，電機定子“無源”,電機轉子處于轉動狀態，但轉速隨機不確知情況下，將高壓變頻器接入電機定子，使電機定子從“無源”到“有源”，電機定子旋轉磁場從無到有，最后電機定子旋轉磁場拖動電機轉子進入正常驅動的過程。 由電機原理知，當電機定子旋轉磁場速度與電機轉子速度相差較大即轉差較大時，會產生很大的電流而電磁轉矩卻不大，例如電機在工頻下全壓直接起動時，電機定子電流會達到額定值的5～7倍。而高壓變頻器容量一般不可能按電機電流額定值的5～7倍選配。如果高壓變頻器“飛車啟動”時輸出頻率較高（50Hz），而電機轉子速度很慢時就與此類似，必過流跳閘。反之如果高壓變頻器“飛車啟動”時輸出頻率較低，定子旋轉磁場速度低于電機轉子速度，此時電機為發電狀態，電機轉子將向定子側反送能量給變頻器電容充電，使變頻器因電容電壓泵升過壓而跳閘。 因此，高壓變頻器“飛車啟動”是否成功的關鍵是輸出和轉子速度（頻率）相同的頻率。而電機轉子頻率是隨機的,為此必須進行電機轉子頻率的搜索,即“飛車啟動”開始先搜索電機轉子頻率,搜索到電機轉子頻率后,變頻器再按搜索到的轉子頻率作為輸出頻率。這樣,既不會出現過流也不會出現電容電壓泵升過壓的現象。 [b]3 實現的方法 3.1 轉子頻率的搜索有兩種方法[/b] 對無速度傳感器的v/f控制方式，西門子變頻器使用手冊提到轉子頻率的搜索有兩種方法： （1） 一種可稱之為“定子輸入恒定額定電流的v/f曲線電壓比較法”，搜索時始終保持定子為恒定額定電流，比較變頻器輸出電壓與v/f曲線上的電壓值，二者相等時意味此時的輸出頻率就是轉子頻率。 （2） 另一種可稱之為“直流母線最小電流法”，即定子旋轉磁場速度與電機轉子速度相同時變頻器直流母線電流最小，借檢測直流母線電流間接檢測轉子頻率。 前一種理論上可行，但實際上v/f曲線與定子額定電流的關系物理概念不明確，低頻時又加入作為電壓補償的提升電壓，使得借v/f曲線比較電壓的精度難保證，另外，恒定額定電流控制的動態響應問題也直接影響電壓比較和頻率的搜索精度。 后一種物理概念明確但不可照搬，在本高壓變頻器功率單元中，無直流母線電流檢測，因此不能采用檢測直流母線電流間接檢測轉子頻率的方案。但可以把電機加入搜索電壓后產生的定子電流通過矢量分解，取出轉矩電流分量，借觀測轉矩電流分量間接觀測轉子頻率來實現。當定子旋轉磁場速度與電機轉子速度相同時，電機轉子速度即為同步轉速。此時，轉矩電流分量理論上應等于零，但實際中在電機轉子頻率的搜索過程中，旋轉磁場角頻率是變化的，而矢量變換分解轉矩電流的變換關系式是對某一角頻率而言的，頻率搜索時變化步長也不可能無窮小，有可能前一步高于轉子頻率,后一步又低于轉子頻率，所以應按轉矩電流分量“接近于零”搜索。即按轉矩電流分量最小來“搜索”，給定一個最小轉矩電流比較值。 因為電機定子旋轉磁場速度低于電機轉子速度時，電機為發電狀態，電機轉子將向定子側反送能量給變頻器電容充電，使變頻器電容電壓泵升過壓，故搜索過程必須從高于電機轉子頻率起，考慮所有可能性取最高50Hz起。故頻率搜索由高到低單調下降。 搜索過程從高于電機轉子頻率（50Hz）起，如果直接按v/f曲線將輸出“滿度”電壓，類似“全壓直接啟動”，電流與轉矩沖擊極大。因此電壓取“滿度”電壓的5%～20%輸出，搜索成功后再使電壓慢慢回升到此頻率下的“滿度”電壓。即弱化電壓限制電流與轉矩沖擊。 搜索過程雖然按“滿度”電壓的5%～20%輸出，也有可能因設置的弱化電壓系數不合適產生過電流，為此搜索過程還要有電流限幅，對電壓輸出構成負反饋自動抑制過電流。 考慮到電機轉子自由旋轉轉向可能與正常運行方向相反的情況，變頻器還要有雙向搜索功能，當按正常運行方向50Hz起一直到0Hz都搜索不到最小轉矩電流，則啟動反向搜索過程，搜索到電機轉子頻率后，先降速到0再正向加速到給定頻率。 3.2 高壓變頻器“飛車啟動”的實現 根據前面的分析結合原系統，可確定轉子頻率搜索的控制邏輯如圖1所示。 [align=center] 圖1 變頻器的“飛車啟動”的功能圖[/align] 啟動“飛車啟動”功能后，將自動斷開正常的頻率給定，改為搜索給定器給出的100%（50Hz）到0%（0Hz）的遞減頻率給定，經v/f曲線變換器生成的v＊要乘降壓系數（<20%）。電機定子電流實時采樣值與最大電流imax比較,形成對電壓u＊act的負反饋，以限制頻率搜索中的過電流，當電機定子電流實時采樣值小于等于設定的最小轉矩電流時，表明頻率搜索成功。 而后，轉入頻率“置值”和“v＊平滑回升”的處理。v＊恢復后再按積分過程自動調整到人為設定頻率點運行。如果，電機定子電流實時采樣值始終大于設定的最小轉矩電流且搜索延時已到則停止搜索，給出搜索失敗提示信息。 [b]4 實驗的過程及遇到的問題 4.1 飛車啟動試驗 [/b] 飛車啟動試驗的方法如圖2所示。 [align=center] 圖2 試驗框圖[/align] 先用低壓變頻器帶動低壓電機把高壓電機拖到一定的轉速，然后將低壓變頻器切除，再啟動高壓變頻器拖動高壓電機，讓高壓變頻器搜索高壓電機的速度，搜索到同步轉速后再按正常啟動，同時檢測該過程中高壓變頻器輸出的電流變化情況如圖3和圖4所示。 [align=center] 圖3 輸出電流變化情況[/align] [align=center] 圖4 飛車啟動過程電流變化情況[/align] 每格電流20A，電機額定電流60A，從測量的電流看搜索電機同步轉速時電流峰值為20A，電機加速中最大電流為50A左右； 4.2 高壓“飛車啟動”的另一種想法和思考 在飛車啟動功能中，電機高速運轉時，變頻輸出額定頻率（50Hz），輸出電壓按一定的速度從最低逐漸升高，在電壓升高的過程中同時檢測輸出電流，如果輸出電流大于額定電流的1.5倍時，保持輸出電壓不變，電流下降后再按一定的速度加大電壓，如果電壓加到額定頻率（50Hz）對應的電壓時，基本認為“飛車啟動”完成，然后運行到設定頻率進行正常工作即可。 4.3待驗證的問題 （1） 電機再轉動時，在電壓加大過程中，電流變化是否不會超過額定電流的1.5倍； （2） 電壓加大按多大的速度遞增； （3） 如果輸出電流大于額定電流的1.5倍時，電壓保持不變過程中，電流是否會下降，如果電流不下降，降低輸出頻率，電流是否會下降。 4.4著手做高壓變頻器中的“飛車啟動”功能和程序結構 “飛車啟動”的關鍵是電流的檢測，合適的電流判斷依據是核心，目前沒有重點考慮，只考慮了頻率掃描的過程：開始以50Hz的頻率逐漸下降，直到電流合適，然后頻率不變，逐漸升高輸出電壓，然后再運行到設定的頻率。該過程有待于進一步細化。考慮到試驗中有電機發電狀態，所以需要在高壓提升機變頻器上試驗，電流的合適點也需要實測電流來確定。 [b]5 “星點漂移”功能 5.1 原理分析[/b] 在變頻器單元出現故障時，普通做法是將故障單元旁路的同時，讓其他兩相相應的單元也同時旁路，這樣讓變頻器三相輸出電壓平衡，從而使電機的三相電流平衡，但這樣變頻器的輸出功率降低了，不適宜長期工作。 因此，技術人員經過分析，提出了“星點漂移”的做法。 如圖5所示，在正常情況下，三相輸出a、b、c平衡，中性點即星點在o點。當a相有一個單元故障時，把星點由o點轉移到o1點，而b相和c相經過運算，對o1的輸出要與a相一致。當出現2個或3個單元故障時，同樣要經過復雜的運算使其一致。現最多可作到3個單元故障的星點轉移功能。 [align=center] 圖5 星點轉移示意圖[/align] 5.2 試驗情況 高壓功率單元一個故障試星點偏移情況，故障相電流如圖6所示。 [align=center] 圖6 故障相電流[/align] 在一個單元故障時，輸出三相電流不平衡，5kv時，電流ia=5A，ib=10A，ic=12A，故障單元為a6；在故障一個單元的情況下停機，停機時的該相電流如圖7所示。 [align=center] 圖7 停機時的相電流[/align] 此時，電機在停止的過程中到30Hz左右時，出現a5過壓保護，故障單元換到b相出現同樣現象，換到b相中間出現該相的其他單元過壓保護，原因有待分析（可能電機的5kv反電勢直接加到5個功率單元上）。 故障a6一個單元，電壓在5kv時，在40Hz左右時電流情況如圖8所示。 [align=center] 圖8 40Hz時的電流波形[/align] 讓輸出三相的線電壓平衡，輸出電流如圖9所示。 [align=center] 圖9 星點轉移后的電流波形[/align] 在此情況下，停機過程中，電流情況如圖10所示。 [align=center] 圖10 星點轉移下的停機電流[/align] 在試驗過程中電流波形正弦度不太好的原因可能是三相中的三次諧波無法相互抵消，實測也是如此，各次諧波電流如表1所示。 在輸出波形中將三次諧波去掉輸出正弦波時，各次諧波電流如表2所示。 在此情況下，偏移后電流波形如圖11所示。 [align=center] 圖11 處理后的星點偏移電流[/align] 同時故障兩個單元后的現象與上述相同。 6 風光高壓變頻器設置“飛車啟動”功能的方法 要使用飛車啟動功能，首先要將變頻器主控板上的撥碼開關7打至on位置。否則不能啟動飛車啟動功能，然后設置飛車啟動的參數。 （1） 在變頻器的參數設置中，有一個啟動頻率設置。 該參數可進行簡單的“飛車啟動”。如果在變頻器啟動之前，電機正在自由轉動，而且轉動的方向和變頻器要啟動的方向相同，這時如果大約知道電機的轉速，根據電機的額定轉速就可估計出變頻需要輸出的頻率，然后用稍大于該頻率作為啟動頻率。設置該參數后，就可啟動變頻器。當變頻器啟動后達到該頻率下的電壓就可說明啟動完成。啟動完成后，可以設置比該頻率低的頻率運行。 （2） 搜頻時間 飛車啟動時從高頻到低頻掃描電機轉速的時間，默認為30s，設置范圍為3～3200s，該值需要根據實際現場來設定。如果現場電機的自由停車時間較長時，該值就要求大，如果自由停車時間較短時，該值就要求設置小。 （3） 電流檢測值 設置變頻飛車啟動時的電流檢測值，與“飛車啟動”功能配合使用。在運行中設置無效，默認值為0。 7 結束語 高壓變頻器的“飛車啟動”及“星點漂移”功能的成功開發與應用，將為變頻器的安裝與調試及用戶使用帶來比較大的便利，是高壓變頻器的一大特色。在應用中，只要能正確的設置參數，按照說明書正確的操作，就能正確的應用這一功能。今后，隨著科技的發展和技術的進步，變頻器的功能必將進一步拓展，為用戶應用帶來更大的方便。 作者簡介 尹鵬飛 高級工程師 畢業于東北工業大學機電一體化專業現任山東新風光電子科技發展有限公司副總工。 參考文獻 [1] 白德芳,李凱. 高壓變頻器飛車功能的實現. 變頻器世界, 2007（4） [2] 山東新風光電子高壓變頻器使用說明書