專利名稱：變頻調速系統瞬間掉電再起動方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及變頻調速技術，特別涉及高壓變頻調速系統瞬間掉電再起動方法及系統。
背景技術：
高壓變頻器是工業上對電動機進行控制、調速的重要設備。級聯式高壓變頻器主要包括多段移相變壓器、IGBT逆變電橋、光纖波形驅動與保護電路、主控計算機、輔助計算機、可編程控制與裁決故障的PLC及控制接口電路。在此，我們不妨把主控計算機、輔助計算機、可編程控制與裁決故障的PLC及控制接口電路等統稱為變頻器的控制系統，把IGBT逆變電橋、光纖波形驅動與保護電路稱為變頻器的功率單元。級聯式高壓變頻器的基本工作原理是，控制系統向功率單元輸出PWM脈沖，通過功率單元疊加，輸出頻率和電壓可調的波形，拖動電動機運轉。變頻器及其拖動的電動機組成了變頻調速系統。
變頻調速系統的工業使用現場復雜，工藝要求多樣，除正常運行時的性能要求外，當供電系統發生瞬間掉電(瞬間停電、瞬間欠電壓以及瞬間缺相等)時，變頻器一般在數百毫秒內停止輸出。而當電網電壓在短時間內恢復正常后，帶大轉動慣量負載的電動機會繼續旋轉相當長的時間，導致變頻器無法正常起動。為了改善這一現象，在電網電壓很快恢復時，要求變頻調速系統具備立即再起動的功能，以滿足生產工藝的要求。
現有技術采用的方法是(1)讓電機自由停車，然后按照正常起動程序加速至設定的轉速。這種方法效率很低，特別是大慣性負載，如風機等，電動機將會旋轉很長時間才能停止，這大大降低了生產效率，影響了生產工藝的連續性，增加了不必要的經濟損失。
(2)通過外加機械制動或者直流制動使電動機和負載快速停止，以減少電動機自由旋轉時間。這種方法所需的再起動時間較短，但效率仍很低，而且需要增加制動裝置和額外的檢測電路，來檢測電機是否已停止，這并不是理想的再起動方法。
(3)對電機殘壓頻率不進行實時檢測，而是根據變頻器額定V/f曲線所劃分的四個區域的模糊控制表來追蹤電機頻率。這種方法對停電時間的依賴性降低很多，但采用模糊控制跟蹤頻率容易引起很大的電流沖擊，甚至引起過電流保護，這種方式的瞬時停電再起動方法并不適用于高壓大功率變頻器。
綜上所述，現有技術的主要缺點是，再起動時間長，效率低，再起動過程中電流沖擊大。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是針對現有技術再起動時間長，效率低的缺點，提供一種起動過程平穩，起動時間短，效率高的變頻器瞬間掉電再起動方法及裝置。
本發明為解決其技術問題采用的技術方案是，變頻調速系統瞬間掉電再起動方法，包括如下步驟a.設置系統頻率f0，允許瞬間掉電時間閾值t1，允許恒頻升壓時間閾值t3，允許最小起動頻率f1；b.當電網掉電時，控制系統立即停止變頻器輸出，并開始記錄掉電時間tf，同時實時檢測電動機自由旋轉產生的殘壓頻率f1*；c.當tf＞t1時，控制系統發出停機指令，變頻器不再驅動電動機，若tf≤t1，執行下面步驟；d.電網電壓恢復時，若f1*＜f1，變頻器按正常起動程序，從f1加速到系統頻率f0；e.若f1*≥f1，變頻器保持f1*不變，在時間t3內將輸出電壓逐漸升壓到變頻器額定V/F曲線對應的電壓v1*，然后按正常起動程序從f1*加速到系統頻率f0。
本發明同時提供了變頻調速系統瞬間掉電再起動裝置，其技術方案包括變頻器及其拖動的電動機，電網電壓檢測電路，殘壓頻率檢測電路及信號處理電路；所述電網電壓檢測電路輸入端與電網連接，輸出端與信號處理電路連接；所述殘壓頻率檢測電路輸入端與電動機連接，輸出端與信號處理電路連接；所述信號處理電路輸出端與變頻器控制系統連接。
本發明的有益效果是，再起動時間短，提高了系統的工作效率，起動過程平穩，不會對負載產生沖擊，不會產生過流，特別適合高壓大功率變頻調速系統。
圖1是步進式恒頻升壓過程示意圖；圖2是本發明的變頻調速系統結構示意圖；圖3是信號處理電路結構圖；圖4是系統頻率f0為10Hz時瞬間掉電再起動的電流波形；圖5是系統頻率f0為20Hz時瞬間掉電再起動的電流波形；圖6是系統頻率f0為30Hz時瞬間掉電再起動的電流波形；圖7是系統頻率f0為40Hz時瞬間掉電再起動的電流波形；圖8是系統頻率f0為50Hz時瞬間掉電再起動的電流波形。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。
本發明的變頻調速系統瞬間掉電再起動方法，包括如下步驟a.設置系統頻率f0，允許瞬間掉電時間閾值t1，允許恒頻升壓時間閾值t3，允許最小起動頻率f1；b.當電網掉電時，控制系統立即停止變頻器輸出，并開始記錄掉電時間tf，同時實時檢測電動機自由旋轉產生的殘壓頻率f1*；c.當tf＞t1時，控制系統發出停機指令，變頻器不再驅動電動機，若tf≤t1，執行下面步驟；d.電網電壓恢復時，若f1*＜f1，變頻器按正常起動程序，從f1加速到系統頻率f0；e.若f1*≥f1，變頻器保持f1*不變，在時間t3內將輸出電壓逐漸升壓到變頻器額定V/F曲線對應的電壓v1*，然后按正常起動程序從f1*加速到系統頻率f0；所述步驟e中，輸出電壓升壓到電壓v1*的過程采用步進式升壓方法；在所述步驟d、e中，實時監測變頻器是否過流，過流則停止再起動過程；
在所述步驟d、e中，如果再次發生電網掉電，系統返回步驟b。
本發明的變頻調速系統瞬間掉電再起動裝置，包括變頻器及其拖動的電動機，電網電壓檢測電路，電動機殘壓檢測電路及信號處理電路；所述電網電壓檢測電路輸入端與電網連接，輸出端與信號處理電路連接；所述電動機殘壓檢測電路輸入端與電動機連接，輸出端與信號處理電路連接；所述信號處理電路輸出端與變頻器控制系統連接；所述電網電壓檢測電路為電壓互感器或霍爾傳感器；所述電動機殘壓檢測電路為電壓互感器或霍爾傳感器；所述信號處理電路包括電網電壓檢測信號處理電路，電動機殘壓信號處理電路以及信號邏輯處理單元308；所述電網電壓檢測信號處理電路包括順序連接的EMC電路301、信號整流電路302、信號變換電路303和光電隔離電路304；所述光電隔離電路304與信號邏輯處理單元308連接；所述信號邏輯處理單元308與變頻器控制系統連接；所述電動機殘壓信號處理電路包括順序連接的EMC電路309、信號濾波電路305、信號變換電路306和光電隔離電路307；所述光電隔離電路307與信號邏輯處理單元308連接；所述變頻調速系統為級聯式高壓變頻調速系統。
實施例在變頻器控制系統中，通過人機界面設置一個系統設定頻率值f0，并設置允許瞬時停電時間閾值t1，允許恒頻升壓時間閾值t3，允許最小起動頻率f1，根據負載特性，f1可設置范圍為0Hz～電動機額定頻率。考慮的電動機處于自由旋轉狀態時，殘壓跌落很快，有可能導致搜索到的殘壓頻率f1*不準確，在設定參數t1時，應考慮殘壓的衰減特性，確定t1的大小。
起動變頻器后，使系統逐漸加速到f0，進入正常運行狀態，控制系統實時保存變頻器輸出頻率值。
當供電系統的高壓進線掉電，電機進入自由旋轉狀態時，變頻調速系統通過電網電壓檢測電路，電動機殘壓檢測電路，檢測到掉電信號和電動機殘壓信號輸入控制系統。控制系統得到掉電信號后立即停止變頻器輸出，以保證能量在預期的時間范圍內不會被消耗掉，同時控制系統記錄掉電時間，并根據檢測到的電動機殘壓信號，實時計算殘壓頻率f1*，并等待供電系統高壓進線的來電信號。
控制系統收到來電信號后，判斷掉電時間是否超過允許瞬間掉電時間閾值t1，若超過，變頻器控制系統發出故障指令，不再運行電動機；若沒有超過，則根據此時搜索到的殘壓頻率f1*的大小執行下面步驟若f1*＜f1，變頻器按正常起動程序，從f1加速到系統頻率f0；若f1*≥f1，變頻器保持f1*不變，在允許恒頻升壓時間閾值t3內，發送一段含有恒頻升壓控制信息的特殊PWM脈沖，對變頻器進行恒頻升壓，當變頻器輸出電壓達到變頻器額定V/F曲線對應的電壓v1*時，恒頻升壓過程結束。變頻調速系統轉入正常起動狀態，變頻器從搜索到的殘壓頻率值f1*逐漸加速至系統頻率f0，變頻器瞬間掉電再起動過程結束。為了保證變頻調速系統的安全，系統在恒頻升壓過程中，以及變頻器從搜索到的殘壓頻率值f1*逐漸加速至系統頻率f0的過程中，控制系統都會實時監測變頻器是否過流，如果過流則停止變頻器工作。
若在上述起動過程中，再次出現電網掉電，系統返回到步驟b重新開始起動過程。
上述恒頻升壓過程(步驟e)如圖1所示，圖中，f0為變頻調速系統額定頻率，v0為額定頻率f0所對應的V/f曲線電壓，f1*為搜索到的殘壓頻率，v1*為搜索到的殘壓頻率f1*所對應的V/f曲線電壓。
變頻器最初加給電動機的電壓，是實時搜索到的殘壓頻率f1*所對應的電壓v1*的1/N(N為自然數)倍，即初加電壓為1v1*/N；若變頻器過流，控制系統發出故障指令，不再運行電動機，如變頻器不過流，則再將電壓逐漸加到v1*的2/N倍，即電壓為2v1*/N；若過流則發出故障指令，不再運行電動機，如系統不過流，則再將電壓逐漸加至v1*的3/N倍，即電壓為3v1*/N；依次類推，所加電壓為(N-2)v1*/N，(N-1)v1*/N，直到加至f1*所對應的電壓v1*的N/N倍，即電壓為v1*時，恒頻升壓過程結束。
圖2示出了本發明的系統結構。圖中1是移相變壓器，2是變頻器功率單元，3是變頻器的控制系統，4是三相異步電動機，5是電網電壓檢測電路，6電動機殘壓檢測電路，7信號處理電路。
移相變壓器1與高壓進線6kV或10kV相連接，高壓經移相變壓器降壓后為變頻器功率單元2提供交流電源，控制系統3輸出脈沖寬度調制(PWM)信號，控制功率單元2的輸出脈沖波形，功率單元2的輸出波形經過疊加就可以得到接近正弦波的電壓波形來拖動電動機4旋轉。電網電壓檢測電路5的輸入端連接移相變壓器的原邊，即與電網連接，輸出端與信號處理電路7相連，殘壓頻率檢測電路6的輸入端與電動機相連，輸出端連接信號處理電路7；信號處理電路7與控制系統3連接。
當電網瞬間掉電時，信號處理電路7根據電網電壓檢測電路5的輸出信號，經過信號處理及邏輯判斷，向控制系統3輸出高壓掉電信號，同時，信號處理電路7根據電動機殘壓檢測電路6的輸出信號，經過信號處理及邏輯判斷，向控制系統3輸出電動機4的殘壓信號。當高壓進線恢復時，信號處理電路7向控制系統3輸出高壓來電信號。控制系統3根據信號處理電路7的輸出信號作出判斷，并發出PWM脈沖。
圖3是信號處理電路的框圖。圖中，信號處理電路包括2路結構相同的EMC電路301、信號整流電路302、信號變換電路303和光電隔離電路304組成的電網電壓檢測信號處理電路；EMC電路309、信號濾波電路305、信號變換電路306和光電隔離電路307組成的電動機殘壓信號處理電路；以及信號邏輯處理單元308。
與變壓器原邊相連接的電網電壓檢測電路(圖中未示出)由電壓互感器構成，是將電源高壓轉變為低壓的裝置，其輸出的信號為可能帶有干擾的正弦波，該信號與信號處理電路的輸入端口相連，經過EMC電路301濾除雜波，EMC電路301輸出信號再經過信號整形電路302對信號進行整形，將所得到的信號再經過信號變換電路303進行電平調整，最后經過光電隔離電路304變為干凈的信號，將此信號輸入給信號邏輯處理單元308，判斷是否掉電或者來電，并將掉電或來電信號輸出給控制系統3。
由電壓互感器構成的電動機殘壓檢測電路(圖中未示出)與電動機4連接，它是將電動機自由旋轉產生的的殘壓，轉變為低壓的裝置，其輸出的信號為可能帶有干擾的正弦波，該信號經EMC電路309濾除雜波，再經過信號濾波電路305將其變為平滑的正弦波，接著再經過信號變換電路306進行電平調整，最后經過光電隔離電路307輸入給信號邏輯處理單元308，經過邏輯處理輸出給控制系統。
圖4～圖8分別是系統頻率f0為10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz時，變頻調速系統瞬間掉電再起動過程的電流波形。上述電流波形是在高壓電源停電時間≤10秒，將電動機重新拖動至上述系統頻率f0時得到的一組試驗波形。所有的試驗波形中，橫坐標為時間；縱坐標為電流。試驗結果不但進一步驗證了本發明的瞬間掉電再起動方案的可行性和有效性，還表明本發明所述的系統和方法能夠快速地檢測到高壓掉電/來電狀態，并可靠準確地搜索到發生瞬時掉電后電動機的轉速。系統實現再起動時沖擊電流小，再起動過程短，不會引起變頻器過流保護。
本例的電網電壓檢測電路及電動機殘壓檢測電路，均采用電壓互感器，根據本領的域常識，也可以采用霍爾傳感器作為電壓檢測元件。由于具體電路屬于本領域常規技術，本發明不再給出具體電路原理圖。
權利要求
1.變頻調速系統瞬間掉電再起動方法，包括如下步驟a.設置系統頻率f0，允許瞬間掉電時間閾值t1，允許恒頻升壓時間閾值t3，允許最小起動頻率f1；b.當電網掉電時，控制系統立即停止變頻器輸出，并開始記錄掉電時間tf，同時實時檢測電動機自由旋轉產生的殘壓頻率f1*；c.當tf＞t1時，控制系統發出停機指令，變頻器不再驅動電動機，若tf≤t1，執行下面步驟；d.電網電壓恢復時，若f1*＜f1，變頻器按正常起動程序，從f1加速到系統頻率f0；e.若f1*≥f1，變頻器保持f1*不變，在時間t3內將輸出電壓逐漸升壓到變頻器額定V/F曲線對應的電壓v1*，然后按正常起動程序從f1*加速到系統頻率f0。
2.根據權利要求1所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動方法，其特征在于所述步驟e中，輸出電壓升壓到電壓v1*的過程采用步進式升壓方法。
3.根據權利要求1或2所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動方法，其特征在于在所述步驟d、e中，實時監測變頻器是否過流，過流則停止再起動過程。
4.根據權利要求3所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動方法，其特征在于在所述步驟d、e中，如果再次發生電網掉電，系統返回到步驟b。
5.根據權利要求1或2所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動方法，其特征在于在所述步驟d、e中，如果再次發生電網掉電，系統返回到步驟b。
6.變頻調速系統瞬間掉電再起動裝置，包括變頻器及其拖動的電動機，其特征在于還包括電網電壓檢測電路，電動機殘壓檢測電路及信號處理電路；所述電網電壓檢測電路輸入端與電網連接，輸出端與信號處理電路連接；所述電動機殘壓檢測電路輸入端與電動機連接，輸出端與信號處理電路連接；所述信號處理電路輸出端與變頻器控制系統連接。
7.根據權利要求6所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動裝置，其特征在于所述電網電壓檢測電路為電壓互感器或霍爾傳感器。
8.根據權利要求6所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動裝置，其特征在于所述電動機殘壓檢測電路為電壓互感器或霍爾傳感器。
9.根據權利要求6所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動裝置，其特征在于所述信號處理電路包括電網電壓檢測信號處理電路，電動機殘壓信號處理電路以及信號邏輯處理單元(308)；所述電網電壓檢測信號處理電路包括順序連接的EMC電路(301)、信號整流電路(302)、信號變換電路(303)和光電隔離電路(304)；所述光電隔離電路(304)與信號邏輯處理單元(308)連接；所述信號邏輯處理單元(308)與變頻器控制系統連接；所述電動機殘壓信號處理電路包括順序連接的EMC電路(309)、信號濾波電路(305)、信號變換電路(306)和光電隔離電路(307)；所述光電隔離電路(307)與信號邏輯處理單元(308)連接。
10.根據權利要求6、7、8或9所述的變頻調速系統瞬間掉電再起動裝置，其特征在于所述的變頻調速系統為級聯式高壓變頻調速系統。
全文摘要
本發明涉及變頻調速技術，特別涉及高壓變頻調速系統瞬間掉電再起動方法及系統。本發明解決了現有變頻調速系統，在發生瞬間掉電時，再起動時間長，效率低，再起動過程中電流沖擊大的缺點，公開了一種變頻調速系統瞬間掉電再起動方法及裝置。本發明技術方案的要點是，根據檢測到的電動機自由旋轉產生的殘壓頻率，將變頻器的輸出電壓，恒頻升壓到其殘壓頻率對應的額定V/F曲線電壓值，然后再按正常起動程序加速致系統頻率。本發明同時提供了實現上述方法的裝置。本發明的有益效果是，再起動時間短，提高了系統的工作效率，起動過程平穩，不會對負載產生沖擊，不會產生過流，特別適合高壓大功率變頻調速系統。
文檔編號H02P1/00GK1719717SQ20051002119
公開日2006年1月11日 申請日期2005年6月30日 優先權日2005年6月30日
發明者梁之龍, 崔楊, 彭良平, 賴成毅, 常瑞 申請人:東方日立(成都)電控設備有限公司