PowerSmart高压变频器的“飞车启动”功能

    “飞车启动”功能，作为九洲电气PowerSmart系列高压变频器的备选功能，采用的是无速度传感器的矢量控制方式。“飞车启动”的电动机学上的定义是在电动机定子与变频器或工频电网都脱离时，电动机定子“无源”，电动机转子处于转动状态，将高压变频器接入电动机定子，使电动机定子从“无源”到“有源”，电动机定子旋转磁场从无到有，最后电动机定子旋转磁场拖动电动机转子进入正常驱动状态。简单地说，就是当高压变频器未运行时，变频器所控制的电动机的转子处于旋转运动状态，此时变频器进行启动，其具有的稳定、平滑、无冲击的顺利控制处于旋转中的电动机的功能，即为“飞车启动”功能。    由电动机原理可知，当电动机定子旋转磁场速度与电动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，例如电动机在工频下全压直接启动时，电动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动机电流额定值的5～7倍选配。如果高压变频器“飞车启动”时输出频率较高(50Hz)，而电动机转子速度很慢时就必然会引起过电流跳闸；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动机转子速度，此时电动机为发电状态，电动机转子将向定子侧回送能量给变频器电容充电，使变频器因电容电压泵升过电压而跳闸。    因此，高压变频器“飞车启动”能否成功的关键是输出和转子速度（频率）相同的频率。而电动机转子频率是随机的，为此必须进行电动机转子频率的搜索，即—“飞车启动”开始先搜索电动机转子频率，搜索到后，变频器就将搜索到的转子频率作为输出频率，这样既不会出现过电流也不会出现电容电压泵升过电压的现象。    由以上分析可知，“飞车启动”的关键是能不能搜索到准确频率。一般可以采用两种方法进行电动机频率的搜索：①电动机加码盘；②无速度传感器的变频器自动搜索电动机转速。    电动机加码盘就是用码盘采集电动机的转速，在高压变频器启动前，参照码盘传回的电动机转速，用变频器直接无扰动地控制电动机的运行，即实现了“飞车启动”功能。但是这种方法需要在电动机上加码盘，由于结构、现场空间、电缆铺设等多项因素的制约，此方法虽简单但不易行。    下面来介绍两种转子频率搜索方法：一种为“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有恒定额定电流，比较变频器输出电压与V／F曲线上的电压值，两者相等时意味此时的输出频率就是转子频率：另一种为“直流母线最小电流法”（即定子旋转磁场速度与电动机转子速度相同时变频器直流母线电流最小），即通过检测直流母线电流间接检测转子频率。前一种理论上是可行的，但实际上V／F曲线与定子额定电流的关系不明确，低频时又加入作为电压补偿的提升电压，使得错V／曲线比较电压的精度难以实现。    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搜索精度，而且较多的功率单元也不能采用检测直流母线电流来间接检测转子频率的方法:PowerSmart系列高压变频器采用给电动机加入搜索电压的方法，然后通过矢量分解产生的定子电流．取出转矩电流分量，借观测转矩电流分最间接观测转子频率来实现。当定子旋转磁场这度与电动机转子速度相同时，电动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零二但实际上在电动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是对某一角频率而言的。频率搜索时变化补偿也不可能无穷小，所以应按转矩电流分量“接近于零”搜索，即按转矩电流分量来“搜索”，给定一个最小转矩电流比较值。因为电动机定子旋转磁场速度低于电动机定子速度时，电动机处于发电状态，电动机转子将向定子侧反送能量给变频器电容充电，使变频器电容电压泵升过电压，所以搜索频率过程必须从高于电动机转子频率时开始。    在实际的变频器飞车启动过程中，可以看到启动变频器的实际频率为50Hz，迅速下降，并处于运行未接通状态，到某一频率时接通，此时即为变频器已经搜索到电动机实际运行频率，并控制电动机运行。在某些情况下，电动机转子自由旋转转向可能与正常运行方向相反，故变频器还需要有双向搜索功能。当按正常方向的50Hz开启飞车启动功能时，直到0Hz都搜索不到最小转矩电流，则启动反向搜索过程，搜索到电动机转子频率后，先降速到0Hz再正向加速到给定频率。    在搜索过程中从高于电动机转子频率50Hz起，如果直接按V／F曲线间输出满度电压，类似于“全压直接启动”，电流与转矩冲击极大。因此，取低于满度电压的电压输出，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。    飞车启动功能的实现，具有十分重要的意义，不仅可以满足一些特殊工艺要求，还可以利用负载转动惯量节约更多的电能，尤其是对于重复性的工艺过程更为适合。通过飞车启动功能使变频运行与工频运行的自由“无扰动”切换成为现实。