[摘要]：對無速度傳感器VVVF控制高壓變頻調速系統實現“飛車啟動”的方法進行了分析，提出了變頻器輸出頻率遞降、降壓限流的轉子頻率搜索方法，以轉矩電流分量間接觀測轉子頻率來達到定子旋轉磁場與轉子轉速同步的目的，實現轉子非靜止條件下電動機的平滑啟動。 [關鍵詞]： 飛車啟動 高壓變頻器 頻率搜索 The Implementation of Flying Restart Function for High Voltage Inverter Bai Defang Harbin Electric Co.,LTD. Harbin 150081 [Abstract]: This paper discusses the method of starting free-running motor for VVVF high voltage inverter with sensorless speed control. By the analysis to the starting process, a frequency search method based on stator torque current is presented. Experiments are performed well and practice free-running motor has been started smoothly. [Keywords]: flying start high voltage inverter frequency search 1． 引言 大功率高壓變頻器廣泛地應用于石油化工、電力、冶金、城市建設等行業的各種風機、泵類設備，在降耗節能、改善工藝等方面起著重要的作用。但隨著系統應用領域的擴大，簡單的無速度傳感器VVVF控制大功率高壓變頻器也存在許多需完善的功能，電機轉子處在旋轉狀態下的變頻器啟動即所謂“飛車啟動”就是比較重要的功能。 在大型的拖動系統中，特別是在風機應用場合，其轉子及所帶設備的轉動慣量都很大，從旋轉狀態到靜止狀態的自由停車時間從幾十分鐘到幾個小時。如果因電網原因或誤操作或隨機的干擾使變頻器掉電又重新上電，這時電動機的轉子還處于旋轉狀態，這時若變頻器只能在轉子靜止狀態進行啟動，則在很多場合如石油化工過程、發電廠鍋爐等生產工藝要求嚴格的工作環境，變頻器帶動的電機不能及時恢復運行，將會使整個系統停產或機組解列，對于一個大型的系統來說，意外的系統停機將會使用戶遭受不可估量的經濟損失。 另外，在高壓變頻器“一拖多”的泵類應用場合，即一套高壓變頻器“軟起動”一臺泵到50HZ后將其轉到工頻，再按同樣方式“軟起動”另一臺，僅最后一臺泵用高壓變頻器調速運行調節供水量。當調速泵退出時出水量還多于需求量還要下調時，就要把某臺工頻的泵轉入變頻器調速，這種場合要求變頻器具有“變頻-工頻-變頻投切”功能，而從工頻到變頻的投切同樣要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動”特性。 還有些不允許變頻器驅動的生產設備停機的場合,變頻器出現故障或需要維護時, 要求把運行的電動機切換到工頻運行狀態,保證生產設備不停機; 當變頻器維護完畢允許重新投入運行時, 再投入變頻運行狀態,以滿足重要過程控制場合的實際需求，這也要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動”特性。 因此，大功率高壓變頻器具有“飛車啟動”的功能，在滿足用戶需求方面是必不可少的重要條件。否則，將會限制其在大型工業領域中的應用。 2． 多電平單元串聯電壓源型高壓變頻器系統簡介 ●主回路系統結構簡介： 多電平單元串聯電壓源型高壓變頻器是國內應用較多的，對于每相六個單元的高壓變頻器主回路結構如圖1所示。首先由移相變壓器將三相三繞組的高壓降為三相多繞組的低壓，為降低對電網的諧波影響，經延邊三角形移相處理，使低壓側每相的六個繞組電壓相位互差10度。 功率單元結構如圖2所示，每個單元輸入側為6脈波的三相全波二極管整流橋，每相六個單元輸入電壓互差10度，呈現給電網側的相當于36脈波的整流器。 每一個單元為低壓變頻器，由整流橋，儲能電容，H橋輸出逆變器組成，由于輸入側為二極管整流，功率流只能是從整流側輸入從H橋逆變器輸出，如果從H橋向功率單元有功率流入的話，只能使儲能電容電壓不斷升高而損壞。故此，應防止變頻器所驅動的電機進入發電狀態向變頻器回饋能量。變頻器運行時，三相交流電源通過功率單元內整流二極管橋進行整流，電容陣列對脈動直流進行濾波，變為恒定的直流。電容陣列同時作為PWM輸出的能量中繼池，提供給輸出回路穩定的電壓。 每相六個功率單元的H橋逆變器，其PWM輸出控制信號由公共的正弦波和6個三角載波比較生成，6個三角載波按其自身周期的1/6互相錯開，使6個單元相互串聯疊加后輸出電壓為13階梯波，其中UA1 … UA6分別為A相6個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。 對6KV變頻器，功率單元的輸入電壓為三相600V，當變頻器輸出頻率為50HZ時，功率單元輸出為單相577V，單元相互串聯疊加后可輸出相電壓3464V。 由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產生的UAB輸出線電壓可達6000V，為25階梯波。輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，諧波成分及dV/dt均較小。 3． 高壓變頻器“飛車啟動”方法 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。 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： 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。 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，在我們的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。