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变频器高压电源瞬时失电连续运行研究

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变频器高压电源瞬时失电连续运行研究变频器高压电源瞬时失电连续运行研究 李凯 白德芳 刘爽 哈尔滨九洲电气股份有限公司 摘要:高压变频调速系统现场应用复杂,工艺多样。在重要的大型工业系统中,高压电源系统有双备 用,紧急互投等功能,当变频器对大功率的电机供电时,如果高压电源进行切换,将出现0.1 s,1.5 s左右 的失电间隔,要求变频器在失电间隔中能正常工作,且转速波动较小,达到系统在失电期间不出现剧烈振 荡。对于多电平单元串联电压源型变频器,当通过对功率单元电容值的加大,PWM输出占空比减小的方法 提高失电连续运行性能,其效果均不理想。在经过...

变频器高压电源瞬时失电连续运行研究
变频器高压电源瞬时失电连续运行研究 李凯 白德芳 刘爽 哈尔滨九洲电气股份有限公司 摘要:高压变频调速系统现场应用复杂,工艺多样。在重要的大型工业系统中,高压电源系统有双备 用,紧急互投等功能,当变频器对大功率的电机供电时,如果高压电源进行切换,将出现0.1 s,1.5 s左右 的失电间隔,要求变频器在失电间隔中能正常工作,且转速波动较小,达到系统在失电期间不出现剧烈振 荡。对于多电平单元串联电压源型变频器,当通过对功率单元电容值的加大,PWM输出占空比减小的方法 提高失电连续运行性能,其效果均不理想。在经过大量论证后,采用特殊的DSP控制逻辑,并利用旋转系 统中的飞轮动能转换,取得实现变频器在高压瞬时失电时保持稳定运行。 关键词:高压变频器 瞬时失电 飞轮动能 Study of Disquisition of Consecutive Function in High Voltage Source Instantaneous Voltage Disappear of High Voltage Converter Li Kai Bai Defang Liu Shuang Abstract:high voltage frequency inverter system application is complexity on work place, diversiform manipulative technique . In important large industry system , high voltage power source system is provided with two standby and peremptorily mutual switch much capability. Then frequency inverter equipment supply high power electromotor energy source , if high voltage energy source come forth mutual switch, that engender zero point one to one point five second of electric source disappear litter, need frequency inverter equipment can normally work time slot, moreover speed fluctuate less, achieve system not acutely surge betwixt electric source disappear of time. Toward frequency inverter equipment of voltage source of cell mid series of multi-level voltage, can pass toward increase capacitance element capability of power cell , PWM output minis take/leisure scale of method boost,but outcome all not perfect. Pass much demonstrate course, that applications especial DSP Boolean calculation, also being flywheel kinetic energy conversion by turning system., can carry out frequency inverter equipment persistence stably operate in time of high voltage source disappear. Keywords:The frequency inverter equipment of high voltage moment voltage disappear flywheel kinetic energy 性能要求随之越来越严。 1 引言 在大型的风机拖动中,风机叶轮与电机转 进入21世纪以来,随着世界经济的复苏,子的质量加起来均达到上千kg以上,造成在系 国内经济的发展,国际上的各种能源价格不断上统中回转部分的转动惯量极大,高速时储存的 涨,国内的能源价格也同步上涨。在能源成本的飞轮动能极多,风机的启动时间长、电流大属 压力下,国内的企业开始大量应用各种节能降耗于对回转体系统中飞轮动能的储存过程。当风 设备。在大型工业系统中,用变频器带动电动机机在高速运行时,电机断电停止后,由于其回 的应用越来越广泛,容量越来越大,关联系统越转系统中储存飞轮动能在阻力下慢慢损耗,风 来越多,要求的等级越来越高,对变频器相应的机转速只会缓慢下降。只有当全部飞轮动能损 耗完毕后,风机才能完全停止,故而大型风机组成,对于不同的回转物体,都可以转化为英雄 自由停车的时间都很长,且在停止过程中转速模基本模型进行计算,其外形如图1所示。 下降较慢。 当在高压电源系统出现问题时,进行重合 闸,互相投切时,由于高压电网的灭弧,消磁等 因素,都会出现0.1,1.5 s左右的失电间隔。风 机等负荷由于自身的飞轮动能支持下,转速变化 不大,使电机具备直接加电的条件。故在高压系 统瞬间失电时大容量高压电机的高压电开关均保 持在合闸位置,在电源恢复时,由于电机转速仍 然很高,电机上电时冲击电流很小,不会造成电 网波动,能够保持系统的连续运行。 当变频器在瞬时失电时不能维持连续运行,不 但会造成高压电机出现瞬时失电时停止运行,且与图1 飞轮结构图 原工艺要求相抵触。那么在需要一个工作区的时间 2)飞轮惯量计算。 内动力部分不能停止的大型系统中将无法使用变 频器,而国内节能潜力最大的部分就包含在其中,222J,J,Q(D,D)/8g,QD/4g FAAA12故对老系统的大型电机进行变频改造时,将要求变 在工程计算中,采用近似值方法: 频器具有瞬时失电而能连续运行的功能。 2大功率高压变频器具有在瞬时失电而保持QD,4gJ AF2连续运行的功能要求,已经是高压变频器在在大QD式中:为飞轮矩; Q为轮缘的质量。 AA型系统中运行的必然要求。 3)转子回路中飞轮动能的计算。 最大盈亏功:指驱动功与阻抗功之差的最大2 大功率高压变频器瞬时失电连续 值。 运行的原理性研究 ,W,E,E maxmaxmin2.1 实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时 22,,,(J,J)(,)/2失电连续运行的研发流程 eFmaxmin 21)多电平单元串联电压源型变频器瞬时失,(J,J),,eFm电连续运行可行性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ; JJ,式中:为轴心惯量;为飞轮惯量;为eFmax2)制定多电平单元串联电压源型变频器瞬 ,运行时最大角速度;为运行时最小角速度; min时失电连续运行研发 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ; ,,,为速度波动系数;为角速度变化值。 3)制作变频器瞬时失电连续运行实验系统; m 4)飞轮系统的各参数之间的关系。 4)进行变频器瞬时失电连续运行实验,并 当飞轮较大,飞轮惯量JF值就很大,在消耗对结果进行分析,确定方案效果; 一定的盈亏功ΔW与角频率变化值ω数值不5)根据实验数据、进行研发方案的进一步maxm 大时,波动δ也很小。 改进; 由于飞轮惯量JF值是定值,在消耗盈亏功6)实现多电平单元串联电压源型变频器瞬 ΔW比较大时,ω数值较大,波动δ也很大。 时失电连续运行功能; maxm 当盈亏功ΔW和波动δ一定时,飞轮惯量7)重载测试通过并进行验收; max JF值与角频率变化值ω平方成反比。 8)现场实际运行。 m 2.3 深入剖析多电平单元串联电压源型变频器 2.2 电机系统中转子回路飞轮动能利用的数学 的结构 计算分析 1)多电平单元串联电压源型变频器的主回1)飞轮结构。 路拓朴。其示意图如图2所示。 飞轮结构形状本由轮缘A、轮毂B、轮辐C 图2 多电平单元串联电压源型变频器主回路 2)主回路工作原理。 出频率可调的正弦波,供给高压电动机运行与调 高压电源首先供给移相变压器主绕组,在移速使用。 相变压器副边有18个相互独立的绕组,其按延边3)功率单元内部结构。 三角形的绕法,实现每个10?的移相的组别,用多电平单元串联电压源型变频器的所有功于分别给18个功率单元供电,18个根据组别组率单元都是相同的,其原理如图3所示。成A,B,C 3组,串联成为星形连接结构方式输 图3 功率单元电气回路原理图 4)功率单元工作原理。 波IGBT组成。 每一个单元相当于一个小功率低压变频器,三相交流电源通过功率单元内整流二极管由整流输入二极管桥,储能电容,H桥形输出斩桥进行整流后,将其输入电容阵列,电容阵列对 脉动的直流进行滤波,使其变为恒定的直流电。单元串联电压源型变频器的波形输出,是由每个电容阵列同时作为PWM输出的电压能量中继功率单元从内部的电容阵列的能源中继池,通过池,提供给输出回路稳定的电压与脉动驱动电流。H桥变换为PWM波输出。功率单元输入整流变H桥形IGBT回路将电容阵列的直流电压转换为换在瞬时可以视为用于给电容阵列进行电能补充PWM波形电压输出。 的回路。 2.4 在原理上实现多电平单元串联电压源型变 当电源失电时,相当于将电容充电回路中的 频器瞬时失电连续运行的方法 整流电源失电,由于三相二极管整流器的不可逆 1)在原理实现多电平单元串联电压源型变性,相当于整流回路已关闭或切除,不再给电容频器瞬时失电连续运行的可行性。 阵列补充电量。电容的电压变化将由H桥的PWM ?在瞬时失电时高压变频系统的状态与工作状态所确定。 分析。 2)在瞬时失电后变频器的等效状态。 在瞬时失电时,高压变频器处于运行状态,对于多电平单元串联电压源型变频器在电此时输入侧高压电源消失,输出测连接正在运行源失电后,对于变频器的变频系统来说,相当于的大型异步电动机,电动机连接有大型拖动设备。 将图中阴影部分的回路已切除的变频器。如图3此时,多电平单元串联电压源型变频器的输入侧所示,这时变频器可以将电容阵列等效为一个电变频器电压消失,从高压变频器到电动机的电压池组,在瞬时失电开始时,整个变频系统等效为由功率单元内的电容维持,并保持电动机的励磁。 一个用电池组供电,电池组电压处于额定状态, ?失电后变频器内部电气运行状态。多电平输出正弦电压波形对电动机进行励磁运行。 图4 多电平单元串联电压源型变频器单元串联电气图 3)在原理实现多电平单元串联电压源型变压源型变频器在失电期间将可以等同为一个由电频器瞬时失电连续运行的方法。 池进行供电运行的变频器。若能保证电容电压的稳 通过上述分析,即然失电后多电平单元串联电定,那么就能实现在失电时变频器的连续运行。 2.5 实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时 供电回路研发 失电连续运行关键 1)更改前功率单元主控板供电。 实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时多电平单元串联电压源型变频器工作时,每失电连续运行关键就是:“在多电平单元串联电压一个功率单元都处于一个独立的电平上,必须保源型变频器在运行中高压电源瞬时失电期间,保证其与其它回路相互隔离,功率单元内主控板的持功率单元内电容阵列电压的稳定,就可以保持电源从移相变压器二次侧供应,主回路的电源与变频器连续运行。” 控制回路的电源从移相变压器的一个副边绕组取 出,达到功率单元相互的电气隔离要求。但是在3 多电平单元串联电压源型变频器 这种结构中,当高压回路失电后,主控板的电源 瞬时失电连续运行研发方案 也随之消失,将直接造成功率单元的主控板失电3.1 技术的主攻方向 停止工作,无法达到高压电源短时失电时主控板 1)首先解决在失电时,功率单元内主控板保持正常工作的要求。 的电源供给。 2)更改后功率单元主控板供电。 2)在瞬时失电时,高压变频器对于高压电在外部加一个不间断电源(UPS)作为供电源状态的采集。 电源。用一个小型的副边相互隔离的多绕组变压 3)多电平单元串联电压源型变频器属于交-器,分别为每个功率单元的主控板供电。当高压直-交类型的变频器,由其拓朴结构决定其分为输电源失电后,功率单元在主回路失电的情况下,入变流,储能稳压,变换输入3部分结构,在变主控板的电源从UPS经过隔离变压器正常供给,频器失电时,仅有储能稳压,变换输出结构在运使主供板电源处于正常供应状态,能够对功率单行,故在检测单元内运行各量值的要求作出相应元的器件的状态进行控制,并通过光纤将功率单的设定调整。 元的运行状态发送至控制单元,并同时从控制单 4)解决变频在失电时,功率单元电容阵列电压元接收调整指令,对功率单元工作状态进行调整。的稳定。保持其电压波动在额定值75%以内波动。 从而具备的多电平单元串联电压源型变频器在高 5)解决在变频器失电时,主回路元件的能压电源失电后连续运行的初始条件。 量损耗。通过严密的逻辑分析,精确的计算,将3.4 多电平单元串联电压源型变频器高压回路H桥的PWM波形输出改变,使电机运行于能量失电试验系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 回馈的状态,使转子回路中的飞轮动能受控转换1)试验回路的设计原则。 为电容阵列的电能,补充主回路元件的消耗与电在进行高压失电变频器连续运行试验回路容阵列电压的稳定。 中,由于试验会出现多次的高压合闸与分闸,其3.2 多电平单元串联电压源型变频器失电后连包括在试验中的大电流,时间不可控的跳闸,为 续运行的几种实现方法 防止在电感回路中多次合闸对移相变压器的电流 1)加大电容储电量。 冲击,电压冲击所产生的热冲击与机械冲击对移 此方法需增加电容,将涉及到一系列元件的相变压器绝缘的损毁,故在主回路中由KM1,更改,且增加成本过多,不宜采用。 MD2,R1组成了一个高压加电软启动回路。从 2)在失电时,减少轴功率输出。 而能在多次失电试验中,消除反复的上电冲击对 在失电时,通过速度调节,使电机轴功率输变压器绕组造成的损害,并可以在短时间内进行出减少,维持电机运行的有功电流将减少,保持多次合闸试验。 住在3 s时间内电容电压,其方法简便可行,作2)多电平单元串联电压源型变频器瞬间失为首选方案。 电的试验操作方案。 3)在失电时,利用特殊的DSP程序,驱动?将变频器的控制系统,高压系统正常加H桥的PWM输出回路,使电机转子回路中飞轮电,并启动变频器,带动一台三相异步电动机在动能转换为电能。能够在失电时保证电容阵列电调速状态下空载运行。KM1保持在接通状态,压的稳定,但工作量大,更改项目多,测试环节KM2处于断开状态。移相变压器由KM1供电,多,控制要求严,作为后备方案。 隔离变压器由2 kW的不间断电源(UPS)供电。 3.3 多电平单元串联电压源型变频器的主控板?根据试验要求设定高压回路瞬时失电步 骤,在失电指令发出时,控制系统将KM1断开,流尖峰绝对值小于600 A。当变频器试验回路进此时KM1和KM2均处于断开位置则变频器高压行高频率,多次反复试验和测试时,其高压电源输入消失,功率单元主回路系统失电。功率单元的反复加电不会对移相变压器造成永久性的损伤的控制系统电源由UPS通过隔离变压器保持正和影响高压电网系统的稳定性。 常供应。此时,整个高压变频系统即处于高压失?当KM2合上3 s后,将KM1合上,将R1电的状态。 回路短连。随后将KM2断开,变频器的移相变 ?在变频器处于高压失电状态后,对多电平压器软加电过程结束,高压电源从主回路加入,单元串联电压源型变频器的各工作状态进行采变频器处于正常运行状态。 集,控制单元对其进行录波。观察电动机的电压,?多电平单元串联电压源型变频器进行一电流,转速的变化。变频器的报警,故障,保护,次高压侧瞬间失电试验的基本步骤,其操作是由跳闸的动作时间,将其作为试验数据进行记录。 PLC自动完成,其失电时间能够进行设定。从安 ?当变频器达到预定失电时间后,其仍在运全和可操作性考虑,KM1和KM2的操作设有手行,没有发出高压跳闸保护指令,则将KM2合动操作与自动操作双回路系统,手动操作的权限上,此时由KM2与R1形成对移相变压器进行软高于自动操作。 加电回路。R1电阻选用为5Ω,使得630 kW/6 kV3)用隔离变压器对功率单元内主控板进行的移相变压器在加电励磁时,其劢磁瞬间浪涌电供电,设计完成后总体回路结构如图5所示。 图5 变频器瞬间失电连续运行试验系统回路示意图 4)每次试验后的数据采集。 4 多电平单元串联电压源型变频器 每次试验后,均采集以下数据作为研发进程 瞬时失电连续运行的研发进程 的依据:?试验频率;?试验序号;?失电保持 时间;?从失电开始到报出欠压报警时间;?从4.1 多电平单元串联电压源型变频器用于瞬时失电开始到报出故障报警时间;?变频器报出故失电连续运行试验系统的数据 障时的电机转速;?高压变频器的主要故障。 1)变频器和电机的参数。 电动机的参数为:型号YRNT500-6,额定功 率500 kW,额定电压6000 V,额定电流56 A, 额定频率50 Hz,额定转速986 r/min。 变频器参数设定为:加速时间30 s,减速时电容全部放电的时间为 间或300 s,电容欠压报警值75%,额定电流56 A。 T=S×Q/I= 8×3.807/7.2 =4.23 s 2)高压失电后变频器多电平单元串联电压出现欠压报警的时间为 源型变频器报警动作次序。 4.23×(1–76% )=1.01 s ?刚刚失电时状态。 出现故障的报警时间为 单元主回路断电后,控制板在外部隔离变压4.23×(1–35% )=2.74 s 器下正常工作,并驱动输出回路的正常工作。此4.2 多电平单元串联电压源型变频器在失电试时,单元内部的电容阵列如电池组一样对电机以验系统中的首次失电试验 运行电流的速率供电。同时控制单元采集电容的1)变频器在50 Hz运行时进行失电试验。 电压值通过光纤送到控制单元。 变频器带动电机运转时的运行参数为:输出 ?发出欠压报警状态。 频率50 Hz,输出电压5935 V,电机电流7.2 A, 在持继维持电量的输出,电容阵列的电压不电机转速998 r/min,电源电压6120 V,电源电流断下降,当电容阵列电压降到75%设定值时,控0.9 A。 制单元收到功率单元的电容电压数值信息,依据在变频器50Hz运行的状态下,断开KM1高预定的逻辑,发出电压过低警告,但变频器依然压开关,试验数据如表1。 保持运行。 表1 50Hz运行状态失电试验数据 ?发出故障信号时状态。 失电 欠压 故障 电机转速/ 序号 主要故障 -1保持/s 报警/s 输出/s r?min 在连续运行使电容电压降至35%时,功率单 元内保护回路启动,自动封锁输出回路,并发送电压过低停1 60 1.2 3.4 641 止运行 控制单元故障信号,控制单元接收到信号后,发 出系统停止,高压跳闸指令。 电压过低停2 5 1.1 3.6 902 止运行 3)根据多电平单元串联电压源型变频器的 参数,进行高压电源失电时维持运行时间。 电压过低停3 3 1.2 3.3 950 止运行 ?电容阵列中的电容型号。 单只电容量4700 μF,额定电压400 V。电容电压低4 2 1.2 995 无 警告 用9只电容进行3串3并,总容量4700 μF, 5 1 998 无 无 无报警 电压1200 V。 ?正常工作时电容阵列的电压。 2)变频器在40 Hz输出时进行失电试验。 功率单元电压输入三相600 V交流电,通过 变频器带动电机运转时的运行参数为: 三相二极管整流桥变换为直流电供给电容阵列, 输出频率40 Hz,输出电压4184 V,电机电则电容阵列运行时电压为 流6.6 A,电机转速797 r/min,电源电压6120 V, U=1.35×600=810 V 电源电流0.9 A。 ?正常工作时电容阵列的储电量为 在变频器40 Hz运行的状态下,断开KM1Q=UC=810×4700/1000000 = 3.807 C 高压开关,试验数据如表2。 式中:Q为电容存储电量;U为电容工作电压; 3)变频器在30Hz输出时进行失电试验 C为电容容量。 变频器带动电机运转时的运行参数为:输出?试验电动机的有功与无功比值。变频器输 频率40 Hz,输出电压2715 V,电机电流5.9 A,PWM波叠加成的正弦波进行驱动电机,在电机空 电机转速592 r/min,电源电压6120 V,电源电流转的情况下,相当于其主要是转子轴承阻力的损 0.8 A。 耗,相当于驱动一个大电感,其有功消耗很少,利 在变频器30 Hz运行的状态下,断开KM1用移相变压器高功率因数的吸收电流与电机驱动 高压开关,试验数据如表3。 的视在电流为依据,按照近似性原则计算得出: 表2 40 Hz运行状态失电试验数据 S=7.2/0.9=8 失电 欠压 故障 电机转速/ 式中:S为无功与有功比值。 序号 主要故障 -1保持/s 报警/s 输出/s r?min ?在50 Hz状态下,根据数学模型得出: 电压过低计算的欠压报警时间1.0 s,故障时间2.74 s。1 60 1.3 3.8 330 停止运行 计算出的时间要少于实际测量的时间。 电压过低2 5 1.4 3.9 760 ?计算时间小于实际测试时间的原因分析。停止运行 计算是处于理想状态下进行的,当失电后,电容电容电压3 2 1.3 793 无 低警告 输入立刻中止,只向外输出。而在实际测试中,4 1 797 无 无 无报警 由于回路在电感的存在,在高压开关进行断开时, 电容不会立刻停止输入,而由于开关灭弧,移相表3 30 Hz运行状态失电试验数据 变压器消磁等原因,会出现一个小的延时对电容失电 欠压 故障 电机转速/ 继续充电,从而造成实际测量的值要比理论计算序号 主要故障 -1保持/s 报警/s 输出/s r?min 的值高一些。 电压过低停1 60 1.5 4.1s 140 4.3 当变频器瞬时失电状态时,减少电机轴功率止运行 的输出的技术研发 电压过低停2 5 1.6 4.2s 580 止运行 1)对多电平单元串联电压源型变频器接口 映射的分析。 电容电压低3 3 1.6 588 无 警告 ?判断系统是否处于瞬间失电状态。 电容电压低瞬间失电状态,是对应于高压回路出现异常4 2 1.6 589 无 警告 状况时,高压电源系纺进行保护或切换等操作,5 1.5 592 无 无 无报警 造成高压电源短时消失后恢复的一种现象。对应 于一个变频系统来讲,其映射到端口的映像为:4)变频器高压失电后的维持时间。 “多电平单元串联电压源型变频器运行时,变频从表1~表3中的3种频率状态下进行电机的器输入高压开关保持合闸位置,高压输入电源短 失电测试数据汇总。 时消失后重新恢复的过程”。 在不同的频率下,电机的输入励磁电流不?变频器在瞬间失电期间减少电机输出轴 同,这时其欠压报警的时间也不同,其变化曲线功率的原理。 如图6所示。 在多电平单元串联电压源型变频器处于失 电状态时,降低变频器的输出频率,将能降低电 机转速,即可以减少电机的输出轴功率。根椐此 原理,在判定变频器处于瞬时失电状态时,将程 序转入降速运行子模块。 2)对控制系统回路更改的要点。 ?在移相变压器的副绕组回路上,加入一个 电压检测继电器,当移相变压器失电时,继电器 发出一个开关量信号送到控制单元。 ?在控制单元上,将一个备用的状态输入采集 端口激活,用于检测移相变压器的供电状态,当节 图6 变频器失电报警曲线 点信号为0时,即判定移相变压器处于失电状态。 ?将移相变压器失电状态量与高压开关接从测试数据和图6中的规律曲线,变频器在 通状态量在一起进行判断,当出现在高压开关在高压失电后,其输出电流越低,电容阵列电压下 接通状态时,而移相变压器出现失电状态量,就降越慢,则失电时连续运行的维持时间越长。 判定为变频器处于高压电源瞬时失电的状态中。 5)多电平单元串联电压源型变频器失电运 ?瞬时失电状态中,变频器控制系统将变频行时数据模型实际测量值对比结论。 器输出频率设定为下降状态,当移相变压器重新?数据对比。 加电后,恢复到保持状态。 在实际中,50 Hz状态下,进行失电试验时, ?DSP内程序中加入的失电控制子模块流程欠压报警时间为1.2 s,故障时间为3.4 s。 图如图7所示。 失电 欠压 故障 电机转速/ 序号 主要故障 -1保持/s 报警/s 输出/s r?min 电压 过低 1 300 1.2 3.4 900 停止运行 电压过低 2 200 1.3 3.6 899 停止运行 电压过低 3 100 1.6 4.2 901 停止运行 电容电压 4 50 2.1 5.1 895 低警告 电容电压 5 25 2.3 787 无 过高封锁 电容电压 6 40 3.4 880 无 低警告 7 35 866 无 无 无 表5 30 Hz运行状态新DSP程序失电试验数据 图7 失电时频率调节流程图 失电 欠压 故障 电机转速/ 序号 主要故障 -1保持/s 报警/s 输出/s r?min 电压过低 3)对减少电机输出轴功率改造后进行失电1 300 1.5 4.4 581 停止运行 试验时的操作方案。 电压过低 2 200 1.4 4.6 577 停止运行 设定失电后频率下降的速率。 电压过低 3 100 1.5 4.8 576 多电平单元串联电压源型变频器在模拟状停止运行 态下,用手动给出失电信号到控制单元,校核变电容电压 4 50 2. 568 无 低警告 频器的控制操作是否按预期进行。 电容电压 5 25 4.3s 512 在模拟状态测试全部通过后,投入高压电无 过高封锁 源,在运行状态下进行高压电源瞬时失电时变频6 40 540 无 无 无 器连续运行试验。 根据试验的各项目,按 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 进行试验,并将当下降速率小于25 s以下时,变频器在50 Hz数据汇总。 和30 Hz都出电容电压过高 4.4 对多电平单元串联电压源型变频器失电后当下降速率是35 s时,在多电平单元串联电 减少电机轴功率输出方案的试验 压源型变频器输出50 Hz频率拖动电动机运行 1)变频器在50Hz输出时进行失电试验。 状态下进行测试时,高压电源5 s的失电时 试验参数设定为:运行频率50 Hz,上升时间,变频系统保持正常运行。 间30 s,测试时间5 s,下降时间预设300 s,电当下降速率是40 s时,在30 Hz 频率拖动电源电压6120,电源电流0.9 A。 动机运行状态下,高压电源失电5 s的时间间隔, 在变频器正常50 Hz运行的状态下,进行失变频系统保持正常运行。 电测试,如表4。 4)对失电时减少电机输出轴功率测试中的 2)变频器在30 Hz输出时进行失电试验。 现象进行原理分析。 试验参数设定为:运行频率30 Hz,上升时?保持5 s正常运行的分析。 间30 s,测试时间5 s,下降时间预设300 s,电在失电后,变频器频率按照设定的速率下源电压6120 V,电源电流0.8 A。 降,当下降的速率与电机自由转动下降的速率一 在变频器正常30 Hz运行的状态下,进行失致时,那么电机侧输入有功为零,在电机绕组中电测试,如表5。 只存在无功电流,此时,电容阵列的能量将不用 3)根据数据总结改变下降速率对变频器在于拖动电机,只用于进行无功交换,将会保持电失电状态运行时不同现象。 容电压的稳定。 在下降速率在50 s以上时,变频器的失电结?出现高压过高封锁的原因分析。 果变化不大,与未更改时测试值相似。 当设定的下降速率快于电机自由运转下降表4 50Hz运行状态新DSP程序失电试验数据 的速率后,当变频器输出频率小于电机转子内的 磁场转动频率时,那么电动机将从输出耗能状态 转变为再生发电状态,对电机进行充电,当电容?转子飞轮动能的利用。 充电电压高于预设电压时,为保护电容阵列内电当电机定子用变频器供电时,将定子输入频容的安全,将立即停止变频器的运行,并报出电率降低,而转子回路由回转系统内的飞轮动能维容电压过高的故障,这就是通常所说的“电容泵持旋转,当变频器输出频率已低于转子的同频转升”现象。 速后,此时转子回路的旋转磁场的速度将大于定 ?出现电压过低现象分析。 子旋转磁场,从而电机将回转系统存储的飞轮动 当设定的下降速率慢于电机自由运转下降能转化为定子的电能。 的速率后,其电容阵列击需不断为电提供有功电2)变频器失电后利用转子飞轮动能的流程量维持运转,使电容阵列电压不断下降,当降到描述。 电容阵列阈值后,即报出电压过低的故障。 ?对变频器失电时状态确定后初步调整。 5)采用失电后减少电机输出轴功率方案的在变频器的失电信号确定,立即减少变频器不足。 对电机的PWM输出占空比,使变频器对电机的 在试验数据分析中看出,此方案要求在失电电流迅速降低,使电容阵列电压不会快速下降。 时的设定下降速率与电机自由下降速率一致方能?变频器失电后,电机转差频率调节。 维持继续运行,若不一致,将出现各种故障。 在变频器失电后,先快速调节变频器的运行 在实际运行中,电机的负荷是动态变化的,若频率,使其在短时间内下降到电机现有转速的同靠预先设定下降速率来进行失电时连续运行是不现步频率,为下一步调节作好准备。 实的,同时也是不安全的,具有不确定性因素。 ?在变频器输出频率下降状态时,转换电机 6)进一步研发的方向。 的运行状态。 通过前一阶段的研发,对于变频器失电时连在变频器进行频率调整时,当测定电机电流续运行已取得了一定的进展,根据高压设备对运方向变化时,表明已下降到同步转速以下,将频行稳定性和安全性的要求,在总结前一研发的成率从快速下降状态调节为PID控制状态,动态调果基础上,以电容稳定为研发关键点,采用飞轮节频率下降速率,将电机从异步电动机的运行状动能转换的方法,使变频器在失电时对电容电压态转变为异步再生发电机的状态,将电机转子在的控制由被动式转换为主动式,具有动态调节的存储的飞轮动能转变为电能。 功能。 ?变频器失电期间,保持功率单元内电压的4.5 电机系统中转子回路飞轮动能利用的行为稳定。 模型描述 在变频器失电期间,保持电机再生异步发电1)变频器失电后电机转子飞轮动能转化为机状态运行,转子中的飞轮动能转换为电能维持电能的原理. 系统的消耗。将电容阵列电压作为关键进程点,?异步电机运行原理。 通过对变频器输出频率下降的速率调节,使电容异步电机分为定子与转子,在定子绕组加入 阵列电压保持在额定状态。 交流电后,就在定子上形成一个环形旋转磁场。 ?变频器高压电源恢复,稳定电机运行。 转子绕组通过电磁感应出转子电流,并形成相应 在变频器高压电源正常信号确定后,将变频的转子旋转磁场。定子旋转磁场与转子旋转磁场 器输出频率快速向上调节,当测定电流方向变化的速度相对不同,将决定电机是处于异步电动机 时,稳定频率输出延时,防止系统振荡。当电机工作状态还是异步再生发电机工作状态。 完全转入异步电动机运行状态后,再将频率升到?电机处于异步电动机工作状态。 失电前的数值。 当电机的定子旋转磁场的速度快于转子旋转磁 3)DSP程序中变频器失电后利用转子动能场速度时,电机将定子绕组的电能转化为转子的机 的DSP程序子模块流程图。 械能输出,此时电机即处于电动机工作状态。 根据变频器失电利用飞轮动能的描述,将其转?电机处于再生异步发电机工作状态。 化为DSP程序中的子模块,其流程图如图8所示。 当电机定子的旋转磁场速度慢于转子旋转磁场 速度时,电机将转子内的机械能转化为定子的电能 进行输出,此时电机即处于再生发电机工作状态。 到失电前的频率,系统恢复到失电前的状态。 3)变频器失电后利用飞轮动能的方案试验 参数为: 运行频率50 Hz,电源电流0.9 A,上升时间 30 s,下降时间300 s,失电下降30 s,恢复上升 60 s,电源电压6100 V,恢复转换3 s。 4)变频器失电后利用飞轮动能方案的测试 数据如表6。 表6 技术定型的失电试验数据 失电 欠压 故障 恢复时转速序号 主要故障 -1时间/s 报警/s 输出/s /r?min 1 1 997 无 无 无 2 2 992 无 无 无 3 5 850 无 无 无 图8 变频器失电连续运行子模块流程图 4 20 730 无 无 无 5 40 512 无 无 无 4.6 多电平单元串联电压源型变频器失电后利 6 60 210 无 无 无 用飞轮动能连续运行试验 1)更改后的系统回路方案。 失电时间 7 120 68 0 无 过长停止 ?在控制系统顶层供电回路中加入UPS,用 于在任何状态下,保持控制电源供电稳定。 ?在顶层供电回路下,分出一组供给6 kV多4.7 多电平单元串联电压源型变频器高压瞬时组隔离变压器,用于给控制单元内的控制板电源,失电连续运行技术方案定型 在高压失电后,控制板能继续保持运行。 1)高压瞬时失电连续运行研发结束定型方 ?在主回路的移相变压器上增加电压检测案。 继电器,用于测定移相变压器是否处于加电状态,变频器瞬时失电后利用飞轮动能的方案经并将其状态信号传到控制单元。 过测试,达到项目输入时的要求,作为高压瞬时 2)更改后的控制流程方案。 失电连续运行定型方案。 ?失电后,控制系统接收到失电信号,立即2)高压瞬时失电连续运行定型方案指标如快速下调,越过电机在异频运行的转差率,将电下。 机处于再生异步运行状态。 ?具有在变频系统运行时,高压电源在瞬时 ?将转子中的飞轮动能转化为电能用于维消失时,保持变频器不跳闸。 持变频器主回路的功耗,通过多电平功率单元内?具有在变频器高压电源失电后,可以利用的电容阵列作为储能中继池进行电量存储和维持转子系统内的飞轮动能连续保持运行。 变频器系统的损耗。 ?具有在大惯量,大功率,大系统中的广泛 ?在失电的时间内,将电容阵列处于恒压充应用前景,能实现在大系统中瞬时失电后而动力电状态,用电容阵列的电压值作为变频器输出频输入系统不出现极大的振动或崩溃。 率的闭环调节单位,使飞轮动能的转化与系统损?在转子内飞轮动能支持下,可以实现短时耗持平,电容阵列电压稳定。 间内不停机,在失电运行的时间将取决于回转系 ?高压电源恢复后,控制系统接到电源正常统中的飞轮动能存储量,在一个具体系统中,当信号,将变频器由下降速率调节变为上升速率调转子回路的质量与转速固定时,对失电最高维持节,恢复电机的电动机运行状态,其转换设定呈时间具有了确定性。 双曲线设定,避免在电机状态转换时出现惯量载?在长时间失电的情况下,当转速已极低荷冲击。 时,变频器自动停机,并输出报警。以防止在误 ?将变频器输出频率按设定的速率上升,达操作情况下出现不可预见的自动运行现象。 5 多电平单元串联电压源型变频器 高压瞬时失电连续运行的研发项 目总结 5.1 瞬时失电连续运行的技术研发项目技术总结 1)在多电平单元串联电压源型变频器在运 行期间瞬时失电时,高压变频器输入能量中断, 图9 已具有瞬时失电连续运行功能的高压变频器 将电动机转子系统中的飞轮动能转化为变频器运 行的能量来源,维持变频器的连续运行并输出励6 结束语 磁波形驱动电动机的连续运转。 随着高压变频器应用的增加,其拖动电机的2)功率单元内的电容组作为能量缓冲池, 功率越来越大,拖动设备的重要等级相应提高,通过DSP专用程序控制,功率单元的PWM波形 出现了各种各样的要求,其核心的思想都是为保所组成的空间电压矢量在正常运行状态时,其超 证大型系统运行的安全、稳定、高效。 前于转子空间电压矢量,电容从变频器取出能量 当高压系统中高压电源瞬时失电的现象时,输送到电动机定子。在瞬时失电时高压变频器能 在大惯量系统中而保持拖动系统连续运行,对于维持在状态切换期间变频器输出系统电压的稳定 加有高压变频器的调速动力系统来说,刚开始认与电机励磁的稳定。功率单元的PWM波形所组 为近似于不可能完成的任务。因为在变频器失电成的空间电压矢量滞后于转子空间电压矢量,利 后,将没有维持其运行的能量来源。但现场系统用回转系统中的飞轮动能产生的力矩为变频器功 运行的需求,就是研发工作者的任务,通过开放率单元中的电容阵列充电,保持变频器输出的 性思维,将变频器、电机、风机作为一个整体进PWM电压,维持变频器的运行。 行考虑,对调速系统进行理论的分析,结合电机3)大型电动机拖动的回转系统在运行时飞 的各项特性,并在试验站中对变频运行系统进行轮内存储的飞轮动能极大,在失电期间用于变频 反复的测试,找出一个具有可能性的方向,并努器的能量供应对转速波动缓慢,在实验中与实际 力去实现这种科技的创新。 运行中,其瞬时失电在2 s内的,基本上操作人 在研发中,对每一个现象进行分析,总结,员感觉不到电动机转速有大的变化。 找出其出现的内在原因,并对其相应的数学计算4)在硬件回路中改动极少,仅仅加入一个 与分析,并用于指导下一步的工作,当一个完整小型不间断电源,对原有的多电平单元串联电压 的数字模型系统建立完成后,其项目所要求的目源型变频器的结构和柜体均不用大的更改。 标便已有了一个明确的路标。 5.2 瞬时失电连续运行的技术研发项目进程总结 通过不懈的努力,严谨的试验,精密的分析。 攻克一个个难关,最终将会得到相应的收获。 1)确定研发的目标是高压变频器在瞬时失 电时,能连续运行不停机,不给拖动系统带来较参考文献 大的冲击,在研发中始终作为关键,所用的研发 1 刘绍汉.VHDL芯片设计.清华大学出版社 预案 社区应急预案下载社区应急预案下载社区应急预案下载应急救援预案下载应急救援预案下载 均以此目地为中心制定。 2 何苏勤.DSP原理及实用技术.电子工业出版社 2)在研发初始时期,对原理性的方向和方 3 张崇巍.PWM整流器及其控制.机械工业出版社 法用较大的资源进行分析,在原理和计算明晰后, 4 武贵林.单元串联大功率变频器的研究与设计.[西安科 方制作具体的操作方法,避免研发过程中出现重 技大学学位论文].西安:西安科技大学 大的失误。 5 蒋书运.飞轮储能系统转子动力学理论与试验研究. 3)在研发中从易到难,每一步都有详细的方案 振动工程学报 与数据分析,作为下一步研发工作的基础,为最后 6 倪安华.旋转电机实践.淮北电机工程学会 的研发成功完成铸下雄厚的技术资源保障。 7 夏蕾.基于DSP的储能飞轮用BLDCM数字控制系统 利用高压瞬时失电连续运行方案技术制作 无忧电子开发网的多电平单元串联电压源型变频器见图9。
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