高壓變頻器同步電機(jī)無傳感器飛車起動(dòng)的方法及應(yīng)用

陳江洪，王 旭

(上海電氣富士電機(jī)電氣技術(shù)有限公司，上海 201199)

0 引言

隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。多電平串聯(lián)H橋逆變拓?fù)涫菄鴥?nèi)大部分高壓變頻器廠商采用的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該變頻器有很多獨(dú)有的特征：模塊化結(jié)構(gòu)，易于降低成本和便于維修；幾乎正弦的輸出波形；旁路功能提高了系統(tǒng)的可靠性；網(wǎng)側(cè)電流接近正弦[1]。

2017年，中國經(jīng)濟(jì)企穩(wěn)回升，產(chǎn)業(yè)升級、結(jié)構(gòu)優(yōu)化初見成效，中高壓通用變頻器市場呈現(xiàn)正增長態(tài)勢，同比增長8.5%，呈現(xiàn)自2012年以來首次正增長態(tài)勢。其中市政水利行業(yè)作為中高壓變頻器第二大應(yīng)用行業(yè)，水生產(chǎn)和供應(yīng)的固定投資增速明顯，水工業(yè)行業(yè)中高壓變頻器業(yè)績呈現(xiàn)較明顯增幅。該行業(yè)對其設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、效率和功率因素等都提出了更高的要求，傳統(tǒng)的V/F控制已很難滿足要求。因此，通過高壓變頻器采用矢量技術(shù)控制同步電機(jī)，自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，大幅提高轉(zhuǎn)速的控制精度和響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間高效的不間斷工作，成為越來越多用戶的首選方案。

在水工業(yè)行業(yè)的泵類應(yīng)用領(lǐng)域中，通常會(huì)采用一臺(tái)或多臺(tái)高壓變頻器順序驅(qū)動(dòng)多臺(tái)泵的工作方式。當(dāng)泵依次起動(dòng)時(shí)，需要變頻器具有變頻切工頻，即“同步投入”功能。當(dāng)某臺(tái)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)的泵需要進(jìn)行出水量調(diào)節(jié)時(shí)，即從工頻切變頻，這就需要變頻器具有“飛車起動(dòng)”功能?！帮w車起動(dòng)”是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，將變頻器輸出一定大小、一定頻率的電壓加到電動(dòng)機(jī)上起動(dòng)的過程。如果電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢與變頻器輸出電壓不同步的話，較大的沖擊電流將流過變頻器，使得變頻器主回路器件有燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。如何調(diào)節(jié)變頻器輸出使之和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢同步，消除沖擊電流是“飛車起動(dòng)”的關(guān)鍵技術(shù)。而且對于沒有配置速度傳感器的電機(jī)來說，其轉(zhuǎn)子的實(shí)際相位更加難以獲取，故高壓變頻器必須采用無傳感器矢量控制才能滿足要求。

1 同步電機(jī)無傳感器飛車起動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)

1.1 電機(jī)失磁風(fēng)險(xiǎn)

同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵時(shí)，同步電機(jī)脫離電網(wǎng)，轉(zhuǎn)由高壓變頻器驅(qū)動(dòng)控制，開始飛車起動(dòng)。電機(jī)的勵(lì)磁柜轉(zhuǎn)為變頻器控制。在勵(lì)磁轉(zhuǎn)換過程中，需要控制同步電機(jī)的失磁風(fēng)險(xiǎn)。所謂失磁，就是電機(jī)轉(zhuǎn)子失去直流勵(lì)磁電流，使轉(zhuǎn)子磁場消失，這種狀態(tài)即為失磁狀態(tài)[2]。失磁時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組開路，會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，容易發(fā)生匝間短路、絕緣破壞等故障。同時(shí)轉(zhuǎn)子磁場突然衰減，電機(jī)將失步運(yùn)行。雖然電機(jī)脫離電網(wǎng)，但定子磁場并不會(huì)消失，此時(shí)阻尼繞組會(huì)產(chǎn)生較大電流，引起阻尼繞組過熱損壞。

1.2 轉(zhuǎn)速推定偏差風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)高壓變頻器采用一拖多方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，如果選擇使用速度傳感器，其安裝及切換都比較復(fù)雜，同時(shí)也增加了用戶的成本。如果不使用速度傳感器，則對電機(jī)自由運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速推定的精度有很高的要求，因此要求變頻器具有無傳感器矢量控制功能。由電機(jī)原理可知，當(dāng)向電機(jī)定子施加交流電壓時(shí)，如果定子旋轉(zhuǎn)磁場速度遠(yuǎn)大于電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度，電機(jī)定子電流會(huì)極速上升，可能達(dá)到額定電流的5～7倍，引發(fā)變頻器過流故障；如果定子旋轉(zhuǎn)磁場速度小于電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度，此時(shí)電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，將反向給變頻器充電，引發(fā)變頻器過壓故障。轉(zhuǎn)速推定偏差較大時(shí)，極端情況下還會(huì)損壞變頻器的主回路器件，引發(fā)更嚴(yán)重的后果。

2 同步電機(jī)飛車起動(dòng)控制的關(guān)鍵方法

2.1 電機(jī)勵(lì)磁控制

在電機(jī)脫離電網(wǎng)后，首先進(jìn)行勵(lì)磁控制由DCS到變頻器控制的轉(zhuǎn)換，然后變頻器輸出勵(lì)磁控制指令。變頻器控制電機(jī)勵(lì)磁電流后，變頻器輸出斷路器才能合閘，開始電機(jī)轉(zhuǎn)子速度推定。等待推定電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速完成后，變頻器輸出交流電壓，開始驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)從工頻到變頻的切換，飛車起動(dòng)過程結(jié)束。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程都要保持勵(lì)磁電流的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)失磁狀態(tài)，其控制時(shí)序如圖1所示。

圖1 同步電機(jī)飛車起動(dòng)時(shí)序圖

2.2 同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判定

變頻器讀取輸出電壓，進(jìn)行Clark變換，獲得靜態(tài)坐標(biāo)系下電壓Vα和Vβ，根據(jù)其電壓的極性來判定電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)Vβ由正變負(fù)，下降沿時(shí)，如果Vα為正，則電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)Vβ由負(fù)變正，上升沿時(shí)，如果Vα為負(fù)，則電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。判定方法及時(shí)序如圖2～圖3所示。

圖2 同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判定

圖3 同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判定時(shí)序圖

2.3 同步電機(jī)速度推定

電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判定完成條件成立后，才能繼續(xù)進(jìn)行速度推定。由于本項(xiàng)目中電機(jī)沒有配置轉(zhuǎn)速傳感器，其轉(zhuǎn)子速度難以直接準(zhǔn)確地獲知。因此必須進(jìn)行速度推定。一般來說，常用的速度推定方法如下：

(1) 檢測電機(jī)的輸入電壓，通過調(diào)整電壓的勵(lì)磁分量來推定電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

(2) 文獻(xiàn)[3]根據(jù)輸出電壓推定電機(jī)的反電動(dòng)勢，再利用反電動(dòng)勢與頻率間的關(guān)系來推算電機(jī)轉(zhuǎn)速。但電機(jī)反電動(dòng)勢估算轉(zhuǎn)速對電機(jī)參數(shù)比較敏感，需要有較高精度的在線參數(shù)辨識(shí)方法。

(3) 根據(jù)定子電流幅值來搜索電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率的控制策略[4]。在飛車起動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速存在不確定性，對變頻器輸出斷路器合閘時(shí)的輸出頻率有較高的要求，可能出現(xiàn)較大的突入電流。

(4) 文獻(xiàn)[5]通過在電機(jī)輸入端子處施加一個(gè)確定的電壓，根據(jù)輸出電流檢出值估算電機(jī)轉(zhuǎn)速。本項(xiàng)目中要求電機(jī)脫離電網(wǎng)后，馬上進(jìn)行飛車起動(dòng)，轉(zhuǎn)為變頻驅(qū)動(dòng)。但是電機(jī)轉(zhuǎn)速因負(fù)載等原因下降的情況無法確認(rèn)。如果電壓施加的不合適，可能出現(xiàn)過大的沖擊電流，引發(fā)過流故障。

方法(1)在高轉(zhuǎn)速條件下的算法魯棒性較好。在飛車起動(dòng)過程中，變頻器連接自由運(yùn)行的電機(jī)后，首先讀取電機(jī)電壓參數(shù)，進(jìn)行Clark變換后，得到靜態(tài)坐標(biāo)系下的Vα和Vβ。然后根據(jù)預(yù)推定轉(zhuǎn)子位置角θ，進(jìn)行Park變換，獲取勵(lì)磁電壓分量Vm。然后通過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，修正變頻器的輸出，當(dāng)輸出Vm接近0時(shí)，即可認(rèn)推定速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際速度一致，速度推定結(jié)束。轉(zhuǎn)子的位置角θ則由轉(zhuǎn)速持續(xù)積分得到。

本項(xiàng)目在進(jìn)行飛車起動(dòng)時(shí)，電機(jī)剛從電網(wǎng)脫離，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于高速階段。高壓變頻器的輸出斷路器合閘后，變頻器輸出連接電機(jī)的電源輸入端，必須防止電機(jī)反向?qū)Ω邏鹤冾l器充電，減少功率單元內(nèi)部母線電壓的升高，避免出現(xiàn)過壓故障。因此需要盡可能快速完成電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的推定。

在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，該方法具有良好的動(dòng)態(tài)性能。速度推定框圖如圖4所示。

圖4 速度推定框圖

3 同步電機(jī)飛車起動(dòng)的項(xiàng)目應(yīng)用

某水利閘站的排澇工程有5臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)5臺(tái)排水泵。設(shè)置兩套變頻器可在5臺(tái)泵組之間分別完成互相切換的功能。具體對應(yīng)的變頻切換措施如下：#1變頻器在M1、M3、M4電機(jī)之間進(jìn)行切換；#2變頻器在M2、M5電機(jī)之間進(jìn)行切換。其電氣原理圖如圖5～圖6所示。

圖5 #1變頻器一拖三電氣原理圖

圖6 #2變頻器一拖二電氣原理圖

變頻器的工作控制邏輯以#1變頻器為例，如下：

(1) 變頻器根據(jù)上位DCS要求，控制M1勵(lì)磁柜輸出勵(lì)磁電流，并判定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

(2) 變頻器采用無傳感器矢量控制方式，逐步加大電流和電壓，同時(shí)調(diào)整勵(lì)磁輸出，將M1電機(jī)加速到工頻轉(zhuǎn)速。

(3) 變頻器進(jìn)入同步投入模式，控制輸出電壓與電網(wǎng)同步，滿足條件后，QF1、KM12自動(dòng)合閘，KM11自動(dòng)斷開，勵(lì)磁柜脫離變頻器的控制。M1泵切換至工頻運(yùn)行。

(4) 變頻器重復(fù)(1)～(4)，依次將M3、M4泵切換至工頻運(yùn)行。

(5) 上位PCS檢測到總排水量過大，或者有水泵出現(xiàn)震動(dòng)時(shí)，以M1為例，先斷開QF1、KM12。

(6) 勵(lì)磁柜改為由變頻器控制，變頻器輸出勵(lì)磁信號(hào)后，再閉合KM11。

(7) 變頻器進(jìn)入飛車起動(dòng)模式，判定M1電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，并推定其實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度。

(8) 變頻器完成M1電機(jī)的速度推定后，開始輸出電壓和電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入變頻控制運(yùn)行狀態(tài)。

(9) 變頻器根據(jù)上位DCS的要求，將水泵調(diào)整到要求的轉(zhuǎn)速。

為了驗(yàn)證同步電機(jī)無傳感器矢量控制飛車起動(dòng)的方法的有效性，在該項(xiàng)目投入運(yùn)行前，進(jìn)行了實(shí)機(jī)驗(yàn)證。整個(gè)飛車起動(dòng)過程中，勵(lì)磁電流、電機(jī)電壓的波動(dòng)都比較小，沒有引發(fā)電機(jī)過流和單元過壓故障，證明該飛車起動(dòng)控制方法是有效的。

4 結(jié)語

水生產(chǎn)和供應(yīng)的固定資產(chǎn)投資連續(xù)5年高速增長，從而帶來該行業(yè)應(yīng)用對高壓變頻器的需求也同步增加。某水利閘站使用了同步電機(jī)無傳感器飛車起動(dòng)功能，設(shè)備運(yùn)行安全可靠，也取得了部分節(jié)能的效果。該項(xiàng)目具有可復(fù)制性，在類似應(yīng)用中可廣泛推廣，為市政建設(shè)提供了更好的服務(wù)。