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高壓變頻器作為一種高效的調(diào)速節(jié)能設(shè)備廣泛應(yīng)用在發(fā)電廠的風機、水泵等設(shè)備上［1］。通常情況下的高壓變頻器無速度傳感器匹配，瞬時停電再啟動的關(guān)鍵是檢測電機轉(zhuǎn)速，如果再啟動時變頻器輸出頻率與實際轉(zhuǎn)速不匹配，會造成很大的電流沖擊，導致變頻器報過流故障跳閘［2］。

常用的再啟動方法主要有電機轉(zhuǎn)子直接測速和定子掉電后剩磁電壓相位檢測兩種方法［3］。本文提出一種基于定子電流矢量的轉(zhuǎn)速估計瞬時停電再啟動方法，該方法通過變頻器對電機外加電壓來估算定子電流的轉(zhuǎn)矩分量以及勵磁分量的大小進行準確的搜頻，獲得電機停機后的實際轉(zhuǎn)速并實時恢復頻率，有效地降低了頻率恢復時的電流沖擊，在實際應(yīng)用中得到了良好的效果。

1 失電跨越實現(xiàn)原理

1.1 矢量控制

電機電流在A，B，C三相坐標系與兩相α，β靜止坐標系以及兩相同步MT旋轉(zhuǎn)坐標系之間存在固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系［4］。

三相A，B，C與兩相α，β坐標系轉(zhuǎn)化關(guān)系為

兩相α，β坐標系與兩相旋轉(zhuǎn)M，T坐標系的轉(zhuǎn)化關(guān)系為

通過上述變換感應(yīng)電動機的數(shù)學模型可以由三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系，相應(yīng)的電壓狀態(tài)方程如下所示：

磁鏈方程為

式中：Rs為定子電阻；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Lm為互感；Ls,Lr為定轉(zhuǎn)子自感；ω1為磁場同步速；ωs為轉(zhuǎn)差角速度；p為微分因子；ism，ist分別為定子電流的激磁分量與轉(zhuǎn)矩分量；irm，irt分別為轉(zhuǎn)子電流激磁分量與轉(zhuǎn)矩分量。

由于感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子線圈為短路回路，即urm=urt=0，代入式（3）、式（4）方程中可以得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩：

按兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系按轉(zhuǎn)子磁場定向時有：

基于轉(zhuǎn)子磁場定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：np為電機極對數(shù)；T2為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；p為微分算子。

由式（8）可知，如果保持定子電流勵磁分量ism恒定，則轉(zhuǎn)子磁通Ψr恒定，電機電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流轉(zhuǎn)矩分量ist成正比，定子電流轉(zhuǎn)矩分量ist反映了電磁轉(zhuǎn)矩的大小和正負，因此，變頻器再啟動過程中可通過檢測定子電流轉(zhuǎn)矩分量ist的方向調(diào)整變頻器輸出頻率的方向，通過檢測ist的大小來調(diào)整變頻器輸出頻率的大小。

1.2 轉(zhuǎn)矩電流估算方法

目前，轉(zhuǎn)矩電流ist和勵磁電流ism的常用檢測方法是采用定子三相電流瞬時值和轉(zhuǎn)子磁通的空間相位角來計算，其中該相位角的檢測必須采用光電編碼器實現(xiàn)，顯然這種方法在高壓變頻器工程中不適用，本文采用了一種近似方法求得ist。感應(yīng)電機的狀態(tài)方程如下［5］：

式中：U?1為定子電樞電壓；E?1為定子感應(yīng)電勢；I?1為定子電流；f1為定子電壓頻率；為定子磁鏈主磁通。

由式（9）可以得到感應(yīng)電機矢量圖（見圖1），異步電機的定子漏電感只占定子電感的2%～5%，所以在工程應(yīng)用中可以忽略，這樣可以近似認為定子磁通等于氣隙磁通，又因定子電阻阻值很小，電機定子壓降很小，定子阻抗電壓也可以忽略。

圖1 感應(yīng)電機矢量圖Fig.1 Induction motor vector diagram

由坐標變換理論可得，電機中三相靜止坐標系中的電壓、電流物理量可以轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標系α-β中，如果讓α軸與A相軸線重合，依據(jù)式（1）標準化后，可得到圖2所示的電壓—電流矢量關(guān)系圖。

圖2 定子電流按電壓矢量分解圖Fig.2 Stator current according to the voltage vector diagram

依據(jù)圖2可以得出：

式中，θ可以作為電壓矢量?的定位角，計算時可以進行初始賦值。由式（1）和式（10）可方便地求出cosφ的值，近似求解出轉(zhuǎn)矩電流分量的值。

1.3 轉(zhuǎn)速估算方法

當電機失電再次恢復時，通過變頻器給電機外加一個小電壓，計算此時的轉(zhuǎn)矩電流，由轉(zhuǎn)矩電流值的大小和正負判斷變頻器輸出轉(zhuǎn)速與電機實際轉(zhuǎn)速是否匹配，如果電機轉(zhuǎn)矩電流為零，則變頻器輸出頻率與電機轉(zhuǎn)速恰好相等，電機定子電流約等于電機空載電流。如果轉(zhuǎn)矩電流小于零，則定子電流流向變頻器，說明變頻器輸出的測試電壓的頻率低于電機的實際轉(zhuǎn)速，應(yīng)適當增加變頻器輸出頻率，否則，應(yīng)適當減少變頻器輸出頻率，實際上轉(zhuǎn)矩電流很難等于零，因此需要設(shè)定一個轉(zhuǎn)矩電流閥值，當轉(zhuǎn)矩電流絕對值小于閥值，可以認為定子電流為電機的空載電流，變頻器輸出頻率與電機轉(zhuǎn)速接近，搜頻結(jié)束。

當電機電源恢復時，搜頻需要從掉電時的頻率開始向零方向搜索，電機在停轉(zhuǎn)時有一定的剩磁電壓，為避免搜頻時過流故障，外加搜頻電壓需要等剩磁電壓衰減足夠小時施加。此外高壓大功率變頻器的電壓等級高，負載重，在搜頻開始若直接賦值額定壓頻比電壓，因變頻器輸出頻率與電機實際轉(zhuǎn)速存在偏差，會出現(xiàn)4倍以上額定電流的過流沖擊，導致變頻器報輸出過流故障，因此需要減小壓頻比，但如果施加的壓頻比電壓太小，轉(zhuǎn)矩電流會非常小，搜頻電壓初加時定子電流遠小于電機額定電流，誤認為搜頻成功，導致實際搜頻頻率大于實際電機轉(zhuǎn)速，同樣會產(chǎn)生過流故障；搜頻結(jié)束后為盡快實現(xiàn)變頻器重新帶上負荷，搜頻結(jié)束時需要有一個快速的恒頻升壓過程，但這個過程如果太快，變頻器易報過載故障，為降低快速升壓過程中電流躍變幅度，本文采用漸進式升壓法，通過多次試驗找到合理的壓頻比電壓，限制升頻中過載問題，原理如圖3所示。

圖3 搜頻電壓壓頻曲線變化圖Fig.3 Search frequency voltage curves graph

2 失電跨越實現(xiàn)方法及流程

高壓變頻器失電跨越實現(xiàn)流程中主要由掉電時間限制t0，去磁時間設(shè)定t1，轉(zhuǎn)矩電流限制ir以及定子電流限制is4個變量。當變頻器掉電時，變頻器首先封鎖脈沖，記憶掉電時頻率f0，高壓電恢復后首先等待去磁時間結(jié)束，然后變頻器從掉電頻率開始往零頻率方向搜頻，最終變頻器獲得與電機剩余轉(zhuǎn)速相匹配的輸出頻率，并重新短時間內(nèi)恢復正常運行，具體實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 高壓變頻器再啟動流程圖Fig.4 Process diagram of high voltage converter restart

3 實驗驗證

為了驗證該方法的應(yīng)用可行性，選擇華電某電廠引風機高壓變頻器試驗，該電廠為2×330 MW煤粉爐機組，引風機電機功率為2 000 kW，額定電流238 A，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，風機結(jié)構(gòu)為軸流式，所配變頻器為ASD6000S-2000級聯(lián)型6級變頻器，功率2 200 kW，額定電流250 A。檢測儀器：恒河DL750錄波儀；泰克A621電流卡鉗；三洋SANWA-A1530650測速儀；臺灣品致DP-20K高壓差分探頭。定義錄波儀CH5為電流通道，CH6為電壓通道，電壓差分探頭比例3 000∶1，電流比例100∶1。

分別選擇30 Hz，33 Hz，40 Hz，45 Hz，50 Hz為實驗對象，這樣既可以驗證低頻失電跨越效果，又可驗證高頻情況下失電跨越效果，實驗分兩步進行，第1步變頻器帶負載運行穩(wěn)定后，就地自由停機，通過檢測變頻器輸出電壓變化，獲得電機的去磁曲線；第2步變頻器帶負載后人工遠程DCS模擬分合6 000 V開關(guān)，通過錄波儀記錄的變頻器輸出電壓波形細分獲得不同頻率下再啟動搜頻成功時的瞬時變頻器輸出頻率，通過測速儀獲得搜頻成功時的電機轉(zhuǎn)速，對比試驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 不同頻率下搜頻轉(zhuǎn)速與測量轉(zhuǎn)速對照表Tab.1 Search speed and the measuring frequency speed under different frequency table

由表1看出，高壓掉電后5 s內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速下降很小搜頻即可成功，搜頻轉(zhuǎn)速與停電后電機剩余轉(zhuǎn)速非常接近，具備變頻器再啟動條件。由電機殘壓衰減記錄波形（見圖5）可以看出電機的運行頻率越高去磁時間越短，電機功率越大去磁時間越長。本文中引風機電機30 Hz時的去磁時間約6 s，42 Hz時去磁時間為5.4 s，同時為避免搜頻中過流故障，要求電機剩磁電壓盡量小，為保證30 Hz，42 Hz失電跨越成功，需選擇較大去磁時間為去磁設(shè)定值，本次試驗選擇去磁時間為6 s，掉電允許時間7 s，定子電流限制閥值設(shè)定為電機空載電流70 A（電機額定電流的30%），轉(zhuǎn)矩電流閥值絕對值設(shè)置為4 A（電機空載電流的5%），變頻器搜頻初始電壓為六分之一正常壓頻比電壓。

圖5 電機剩磁電壓衰減圖Fig.5 The remainning magnetic field voltage decay graph

由變頻器失電跨越記錄波形（見圖6）看出掉電再啟動經(jīng)歷4個過程：1）電機去磁時間等待，約6 s；2）搜頻過程約2 s，這個過程為失電跨越的關(guān)鍵步驟，需要根據(jù)負載情況設(shè)置合理的壓頻比的搜頻電壓，否則很容易過流失敗，同時通過試驗得出掉電頻率越低搜頻時間越短的結(jié)論；3）搜頻成功后的恒頻升壓過程，這個過程產(chǎn)生較大的電流波動，峰值達到掉電前電流的1.5倍以上，而且掉電時變頻器頻率越高，恒頻升壓過程中電流波動峰值越大，這是因為頻率越高變頻器恢復時所加載負荷越重的原因，這個過程中也是變頻器最易發(fā)生過載故障的范圍，因此需要通過實驗調(diào)整恒頻升壓的時間及搜頻初始電壓，本試驗中設(shè)置為2 s；4）升頻升壓恢復過程，這個過程電流逐漸減小并恢復正常值。在這4個過程中搜頻過程最為重要，如果參數(shù)選擇不當極易發(fā)生過流故障，因此合理地選擇電機去磁時間以及變頻器搜頻初始輸出電壓是失電跨越成功的關(guān)鍵。不同的電機去磁時間不同，需要通過實驗獲得，同時需要通過不斷修改初始搜頻電壓，最終獲得合理匹配的搜頻電壓，保證搜頻及恒頻升壓過程中不發(fā)生變頻器過流故障。

圖6 失電跨越過程電壓電流變化圖Fig.6 Voltage and current diagrams of the power loss across

4 結(jié)論

經(jīng)過多次現(xiàn)場的成功試驗，基于定子轉(zhuǎn)矩電流估算的失電跨越方案完全可行，這種方法無需增加轉(zhuǎn)速檢測裝置，即可獲得電機停電再恢復時的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)簡單，非常適合高壓變頻器的工程現(xiàn)場實現(xiàn)，同時失電跨越成功時間超過2 s，完全滿足正常電源切換時間的要求，有效降低變頻器故障幾率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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