高压变频器的“飞车启动”及“星点漂移”功能

1 引言

在高压变频器的应用中，有许多场合都要用到“飞车启动”的功能。“飞车启动”通俗的讲，也就是转速跟踪。也就是说对旋转中的电机实施再启动。如：

（1） 转动惯量比较小的场合。典型负载如风机，它的机械惯性比较小，轻微的自然风就可能使其自然旋转，而对于无此功能的变频器，要投入运行，可能会出现过流保护，必须等待电机完全静止后再启动，而这势必会耽误调试或生产时间。

（2） 对于一个风道采用两个风机引风的场合，在停止一台风机时，另一台也会拖动停止的风机旋转，要想停下势必要两台风机都停下，这样就比较麻烦。

（3） 对于一拖多的场合，当然这种场合可能较少，有时会用到变频转工频、工频转变频的场合，也需要检测转速，实施跟踪控制。

（4） “星点漂移”功能是在高压变频器运行过程中，当其中一个单元发生故障时，由于具有单元旁路功能，可暂时旁路而降额运行，但损坏单元的这一相势必电压降低，与其他两相电压不平衡，造成电机端电流不平衡，不能长期运行。

因此“飞车启动”和“星点漂移”功能在变频器的安装、调试及工业生产中有着比较重要的意义，随着技术的不断进步、科研的不断深化，这两项功能正逐步应用到变频器实践中，形成了高压变频器的一个特色。

2 “飞车启动”的原理及难点

高压变频器“飞车启动”是在电机定子与变频器或工频电网都脱离时，电机定子“无源”,电机转子处于转动状态，但转速随机不确知情况下，将高压变频器接入电机定子，使电机定子从“无源”到“有源”，电机定子旋转磁场从无到有，最后电机定子旋转磁场拖动电机转子进入正常驱动的过程。

由电机原理知，当电机定子旋转磁场速度与电机转子速度相差较大即转差较大时，会产生很大的电流而电磁转矩却不大，例如电机在工频下全压直接起动时，电机定子电流会达到额定值的5～7倍。而高压变频器容量一般不可能按电机电流额定值的5～7倍选配。如果高压变频器“飞车启动”时输出频率较高（50Hz），而电机转子速度很慢时就与此类似，必过流跳闸。反之如果高压变频器“飞车启动”时输出频率较低，定子旋转磁场速度低于电机转子速度，此时电机为发电状态，电机转子将向定子側反送能量给变频器电容充电，使变频器因电容电压泵升过压而跳闸。

因此，高压变频器“飞车启动”是否成功的关键是输出和转子速度（频率）相同的频率。而电机转子频率是随机的,为此必须进行电机转子频率的搜索,即“飞车启动”开始先搜索电机转子频率,搜索到电机转子频率后,变频器再按搜索到的转子频率作为输出频率。这样,既不会出现过流也不会出现电容电压泵升过压的现象。

3 实现的方法
3.1 转子频率的搜索有两种方法

对无速度传感器的v/f控制方式，西门子变频器使用手册提到转子频率的搜索有两种方法：
（1） 一种可称之为“定子输入恒定额定电流的v/f曲线电压比较法”，搜索时始终保持定子为恒定额定电流，比较变频器输出电压与v/f曲线上的电压值，二者相等时意味此时的输出频率就是转子频率。
（2） 另一种可称之为“直流母线最小电流法”，即定子旋转磁场速度与电机转子速度相同时变频器直流母线电流最小，借检测直流母线电流间接检测转子频率。

前一种理论上可行，但实际上v/f曲线与定子额定电流的关系物理概念不明确，低频时又加入作为电压补偿的提升电压，使得借v/f曲线比较电压的精度难保证，另外，恒定额定电流控制的动态响应问题也直接影响电压比较和频率的搜索精度。

后一种物理概念明确但不可照搬，在本高压变频器功率单元中，无直流母线电流检测，因此不能采用检测直流母线电流间接检测转子频率的方案。但可以把电机加入搜索电压后产生的定子电流通过矢量分解，取出转矩电流分量，借观测转矩电流分量间接观测转子频率来实现。当定子旋转磁场速度与电机转子速度相同时，电机转子速度即为同步转速。此时，转矩电流分量理论上应等于零，但实际中在电机转子频率的搜索过程中，旋转磁场角频率是变化的，而矢量变换分解转矩电流的变换关系式是对某一角频率而言的，频率搜索时变化步长也不可能无穷小，有可能前一步高于转子频率,后一步又低于转子频率，所以应按转矩电流分量“接近于零”搜索。即按转矩电流分量最小来“搜索”，给定一个最小转矩电流比较值。

因为电机定子旋转磁场速度低于电机转子速度时，电机为发电状态，电机转子将向定子側反送能量给变频器电容充电，使变频器电容电压泵升过压，故搜索过程必须从高于电机转子频率起，考虑所有可能性取最高50Hz起。故频率搜索由高到低单调下降。

搜索过程从高于电机转子频率（50Hz）起，如果直接按v/f曲线将输出“满度”电压，类似“全压直接启动”，电流与转矩冲击极大。因此电压取“满度”电压的5%～20%输出，搜索成功后再使电压慢慢回升到此频率下的“满度”电压。即弱化电压限制电流与转矩冲击。

搜索过程虽然按“满度”电压的5%～20%输出，也有可能因设置的弱化电压系数不合适产生过电流，为此搜索过程还要有电流限幅，对电压输出构成负反馈自动抑制过电流。

考虑到电机转子自由旋转转向可能与正常运行方向相反的情况，变频器还要有双向搜索功能，当按正常运行方向50Hz起一直到0Hz都搜索不到最小转矩电流，则启动反向搜索过程，搜索到电机转子频率后，先降速到0再正向加速到给定频率。

3.2 高压变频器“飞车启动”的实现

根据前面的分析结合原系统，可确定转子频率搜索的控制逻辑如图1所示。

图1 变频器的“飞车启动”的功能图

启动“飞车启动”功能后，将自动断开正常的频率给定，改为搜索给定器给出的100%（50Hz）到0%（0Hz）的递减频率给定，经v/f曲线变换器生成的v＊要乘降压系数（<20%）。电机定子电流实时采样值与最大电流imax比较,形成对电压u＊act的负反馈，以限制频率搜索中的过电流，当电机定子电流实时采样值小于等于设定的最小转矩电流时，表明频率搜索成功。

而后，转入频率“置值”和“v＊平滑回升”的处理。v＊恢复后再按积分过程自动调整到人为设定频率点运行。如果，电机定子电流实时采样值始终大于设定的最小转矩电流且搜索延时已到则停止搜索，给出搜索失败提示信息。

4 实验的过程及遇到的问题
4.1 飞车启动试验

飞车启动试验的方法如图2所示。

图2 试验框图

先用低压变频器带动低压电机把高压电机拖到一定的转速，然后将低压变频器切除，再启动高压变频器拖动高压电机，让高压变频器搜索高压电机的速度，搜索到同步转速后再按正常启动，同时检测该过程中高压变频器输出的电流变化情况如图3和图4所示。

图3 输出电流变化情况

图4 飞车启动过程电流变化情况

每格电流20A，电机额定电流60A，从测量的电流看搜索电机同步转速时电流峰值为20A，电机加速中最大电流为50A左右；

4.2 高压“飞车启动”的另一种想法和思考

在飞车启动功能中，电机高速运转时，变频输出额定频率（50Hz），输出电压按一定的速度从最低逐渐升高，在电压升高的过程中同时检测输出电流，如果输出电流大于额定电流的1.5倍时，保持输出电压不变，电流下降后再按一定的速度加大电压，如果电压加到额定频率（50Hz）对应的电压时，基本认为“飞车启动”完成，然后运行到设定频率进行正常工作即可。

4.3待验证的问题

（1） 电机再转动时，在电压加大过程中，电流变化是否不会超过额定电流的1.5倍；
（2） 电压加大按多大的速度递增；
（3） 如果输出电流大于额定电流的1.5倍时，电压保持不变过程中，电流是否会下降，如果电流不下降，降低输出频率，电流是否会下降。

4.4着手做高压变频器中的“飞车启动”功能和程序结构

“飞车启动”的关键是电流的检测，合适的电流判断依据是核心，目前没有重点考虑，只考虑了频率扫描的过程：开始以50Hz的频率逐渐下降，直到电流合适，然后频率不变，逐渐升高输出电压，然后再运行到设定的频率。该过程有待于进一步细化。考虑到试验中有电机发电状态，所以需要在高压提升机变频器上试验，电流的合适点也需要实测电流来确定。

5 “星点漂移”功能
5.1 原理分析

在变频器单元出现故障时，普通做法是将故障单元旁路的同时，让其他两相相应的单元也同时旁路，这样让变频器三相输出电压平衡，从而使电机的三相电流平衡，但这样变频器的输出功率降低了，不适宜长期工作。

因此，技术人员经过分析，提出了“星点漂移”的做法。

如图5所示，在正常情况下，三相输出a、b、c平衡，中性点即星点在o点。当a相有一个单元故障时，把星点由o点转移到o1点，而b相和c相经过运算，对o1的输出要与a相一致。当出现2个或3个单元故障时，同样要经过复杂的运算使其一致。现最多可作到3个单元故障的星点转移功能。

图5 星点转移示意图

5.2 试验情况

高压功率单元一个故障试星点偏移情况，故障相电流如图6所示。

图6 故障相电流

在一个单元故障时，输出三相电流不平衡，5kv时，电流ia=5A，ib=10A，ic=12A，故障单元为a6；在故障一个单元的情况下停机，停机时的该相电流如图7所示。

图7 停机时的相电流

此时，电机在停止的过程中到30Hz左右时，出现a5过压保护，故障单元换到b相出现同样现象，换到b相中间出现该相的其他单元过压保护，原因有待分析（可能电机的5kv反电势直接加到5个功率单元上）。

故障a6一个单元，电压在5kv时，在40Hz左右时电流情况如图8所示。

图8 40Hz时的电流波形

让输出三相的线电压平衡，输出电流如图9所示。

图9 星点转移后的电流波形

在此情况下，停机过程中，电流情况如图10所示。

图10 星点转移下的停机电流