变频器飞车启动控制方法
【专利摘要】变频器飞车启动控制方法通过采样变频器的线电压，并做相应处理输出到数字信号处理器。然后采样软件滞环法对正电压进行整形得到方波电压信号。再通过计算方波电压信号的频率，并根据方波电压信号频率的大小来控制变频器的启动方式。具体为方波电压信号的频率大于或1Hz时，变频器处于转动状态，因此，控制变频器以当前频率启动，避免出现变频器反转或是与当前转动频率不一致而造成变频器及负载的损坏。且上述变频器飞车启动控制方法的计算方法简便快捷，不需要复杂的算法就能够完成变频器的飞车启动控制。
【专利说明】变频器飞车启动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及变频器启动控制方法，特别是涉及一种算法简单的变频器飞车启动控制方法。
【背景技术】
[0002]大功率高压变频器广泛地应用于石油化工、电力、冶金、城市建设等行业的各种风机、泵类设备，在降耗节能、改善工艺等方面起着重要的作用。但随着系统应用领域的扩大，简单的无速度传感器VVVF控制大功率高压变频器也存在许多需完善的功能，电机转子处在旋转状态下的变频器启动即所谓“飞车启动”就是比较重要的功能。在一些风机、泵类等应用场合中，其所带负载转动惯量一般比较大，当其所带负载还在高速旋转时，变频器停机或故障复位后重新启动一般称为“飞车启动”或者为“转速跟踪启动”。根据电机学原理可知:当定子旋转频率与转子实际频率相差较大时，如果变频器直接启动会造成变频器过流、过压保护。
[0003]在大型的拖动系统中，特别是在风机应用场合，其转子及所带设备的转动惯量都很大，从旋转状态到静止状态的自由停车时间从几十分钟到几个小时。如果因电网原因或误操作或随机的干扰使变频器掉电又重新上电，这时电动机的转子还处于旋转状态，这时若变频器只能在转子静止状态进行启动，则在很多场合如石油化工过程、发电厂锅炉等生产工艺要求严格的工作环境，变频器带动的电机不能及时恢复运行，将会使整个系统停产或机组解列，对于一个大型的系统来说，意外的系统停机将会使用户遭受不可估量的经济损失。
[0004]目前市场上常见方法是通过外部测速装置进行速度测量，如光电编码器或者光电开关等进行测量，然而这对于一些场合无法进行安装，而且会增加系统的成本和降低系统
可靠性。
[0005]另外还有一些软件方法进行估算速度，然而这种方法完全依赖软件，搜索效果受软件成熟度影响比较大，而且有很多局限。
[0006]如《变频器跟踪电机转速方法以及装置》中通过给定电流与反馈电流输出的电压以及频率调节变化与VF曲线电压进行比较搜索频率，这种方法不能有效对电机方向进行判断，会出现电机反转的情况。而且算法比较复杂。
【发明内容】
[0007]基于此，有必要提供一种算法简单的变频器飞车启动控制方法。
[0008]一种变频器飞车启动控制方法，包括以下步骤:
[0009]采样变频器的线电压，并将采样的线电压处理为适应数字信号处理器的正电压同时输出到所述数字信号处理器；
[0010]采用软件滞环法对输出到所述数字信号处理器的正电压进行整形得到方波电压信号；[0011]计算所述方波电压信号的频率，判断所述方波电压信号的频率是否小于IHz ；
[0012]若否则按变频器的当前频率启动变频器；
[0013]若是，则对所述变频器进行激磁处理，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于IHz ；
[0014]若是，则认为变频器处理零速状态，直接启动；若否则按变频器的当前频率启动变频器。
[0015]在其中一个实施例中，所述采样变频器线电压的步骤包括:采样变频器线电压上的两路电压。
[0016]在其中一个实施例中，所述将采样的线电压处理为适应数字信号处理器的正电压的步骤包括:
[0017]将所述采样的线电压的两路电压采用两种放大倍数的运算放大器放大；
[0018]采用上拉电路将放大后的线电压处理为正电压；
[0019]将处理为正电压的线电压钳位成适应所述数字信号处理器的正电压。
[0020]在其中一个实施例中，还包括在采用两种放大倍数的运算放大器放大两路电压后，将放大倍数小的采样线电压的最大值与阈值A进行比较；
[0021]若小于阈值A,则将放大倍数大的米样线电压输出给上拉电路；
[0022]若大于阈值A，则将放大倍数小的采样线电压输出给上拉电路。
[0023]在其中一个实施例中，所述采用软件滞环法对输出到所述数字信号处理器的正电压进行整形得到方波电压信号的步骤包括:
[0024]采样所述数字信号处理器的正电压；
[0025]判断采样的正电压与电压阈值B的大小关系；
[0026]当采样的正电压大于正电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为高电平；
[0027]当采样的正电压小于负电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为低电平；
[0028]当采样的正电压大于或等于负电压阈值B且小于或等于正电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为当前电平。
[0029]在其中一个实施例中，所述计算所述方波电压信号的频率的步骤包括:
[0030]将所述方波电压信号高电平上升沿之间的时间的倒数统计为所述方波电压信号的频率。
[0031]在其中一个实施例中，还包括判断所述方波电压信号的频率是否有效。
[0032]在其中一个实施例中，所述判断方波电压信号的频率是否有效的步骤包括:
[0033]在三相电路的两路线电压UV相和UW相首次出现上升沿时计算对应的频率和相位；
[0034]当三相电路的UV相有3个上升沿时，Uff相有2个上升沿，且所述UV相和所述UW相每个周期内的频率小于400Hz ；
[0035]计算述UV相的频率UVl 1、UV12和所述UW相的频率UWl I，若所述频率UVl 1、UV12及UWll之间的偏差不大于各自值的90%时，则认为所述方波电压信号的频率有效。
[0036]在其中一个实施例中，所述对所述变频器进行激磁处理的步骤包括:[0037]对变频器施加频率为W的旋转频率；
[0038]通过PI调节控制电机的额定电流；
[0039]检测电机的电流达到额定电流时，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于1Hz。
[0040]在其中一个实施例中，所述对所述变频器进行激磁处理的步骤还包括:
[0041 ] 对变频器施加频率为-W的旋转频率；
[0042]通过PI调节控制电机的额定电流；
[0043]检测电机的电流达到额定电流时，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于1Hz。
[0044]上述变频器飞车启动控制方法通过采样变频器的线电压，并做相应处理输出到数字信号处理器。然后采样软件滞环法对正电压进行整形得到方波电压信号。再通过计算方波电压信号的频率，并根据方波电压信号频率的大小来控制变频器的启动方式。具体为方波电压信号的频率大于或IHz时，变频器处于转动状态，因此，控制变频器以当前频率启动，避免出现变频器发转或是与当前转动频率不一致而造成变频器及负载的损坏。且上述变频器飞车启动控制方法的计算方法简便快捷，不需要复杂的算法就能够完成变频器的飞车启动控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1为变频器飞车启动控制方法的流程图；
[0046]图2为采样变频器线电压的电路原理图；
[0047]图3为采用软件滞环法整形的波形示意图；
[0048]图4为UV、Uff相相位频率关系；
[0049]图5为需激磁的飞车启动电流电压波形；
[0050]图6为不需激磁的飞车启动电流电压波形；
[0051]图7为不需飞车启动电流波形。
【具体实施方式】
[0052]如图1所示，为变频器飞车启动控制方法的流程图。
[0053]一种变频器飞车启动控制方法，包括以下步骤:
[0054]步骤S110，采样变频器的线电压，并将采样的线电压处理为适应数字信号处理器的正电压同时输出到所述数字信号处理器。
[0055]采样变频器线电压的步骤包括:采样变频器线电压上的两路电压。
[0056]具体的，将采样的线电压处理为适应数字信号处理器的正电压的步骤包括:
[0057]①将所述采样的线电压的两路电压采用两种放大倍数的运算放大器放大。
[0058]②采用上拉电路将放大后的线电压处理为正电压。
[0059]③将处理为正电压的线电压钳位成适应所述数字信号处理器的正电压。
[0060]如图2所示，为采样变频器线电压的电路原理图。
[0061]采样变频器线电压电路包括分压电阻R1、分压电阻R2、放大器U1、放大器U2、反馈电阻R4、分压电阻R5、反馈电阻R6、分压电阻R7、分压电阻Rl1、分压电阻Rl2、分压电阻R13、分压电阻R14、二极管组D4及二极管组D5。
[0062]分压电阻Rl —端接变频器三相电源的U相，另一端接放大器U2的反相输入端。分压电阻R2 —端接变频器三相电源的V相，另一端接放大器U2的正相输入端和放大器Ul的正相输入端。放大器Ul的反相输入端接放大器U2的反相输入端。反馈电阻R4两端分别接放大器Ul的反相输入端和输出端。反馈电阻R6两端分别接放大器U2的反相输入端和输出端。分压电阻R5—端接放大器Ul的正相输入端，另一端接地。分压电阻R7—端接分压电阻R2，另一端接地。
[0063]分压电阻Rll —端接接放大器Ul的输出端，另一端为采样变频器线电压的电路的一输出端。分压电阻R13 —端接接放大器U2的输出端，另一端为采样变频器线电压的电路的一输出端。二极管组D4包括两个串联的二极管，两个串联的二极管的正极接地，负极接
3.3V电源。其中两个串联的二极管的公共连接点接采样变频器线电压的电路的一输出端。二极管组D4接放大器Ul所在的支路。
[0064]二极管组D5包括两个串联的二极管，两个串联的二极管的正极接地，负极接3.3V电源。其中两个串联的二极管的公共连接点接采样变频器线电压的电路的另一输出端。二极管组D5接放大器U2所在的支路。
[0065]分压电阻R12 —端接3.3V电源，另一端接二极管组D4的两个串联的二极管的公共连接点。分压电阻R14 —端接3.3V电源，另一端接二极管组D5的两个串联的二极管的公共连接点。
[0066]变频器飞车启动控制方法还包括在采用两种放大倍数的运算放大器放大两路电压后，将放大倍数小的采样线电压的最大值与阈值A进行比较；
[0067]若小于阈值A,则将放大倍数大的米样线电压输出给上拉电路；
[0068]若大于阈值A,则将放大倍数小的米样线电压输出给上拉电路。
[0069]采样变频器线电压电路的原理如下:
[0070]以UV线电压电路检测说明(UW线电压检测电路原理与之相同，此处不再赘述)U相相电压经分压电阻Rl相连，U相及V相电压经过放大器Ul和放大器U2两个放大电路，得到两组不同的放大系数(其中R6=10*R4)。基于硬件检测输出线电压的方法，引入两种不同放大倍数的电路，提高了输出线电压采样精度。放大器Ul输出端通过分压电阻Rll和分压电阻R12以及3.3V上拉电路，将电压处理为适合DSP处理的正电压。后面经过两个钳位二极管D4后直接送入DSP AD 口 UVadl，同样放大器U2输出端通过分压电阻R13和分压电阻R14以及3.3V上拉电路，将电压处理为适合DSP处理的正电压。后面经过两个钳位二极管D5后直接送入DSP AD 口 UVad2。
[0071]然后再通过如下软件处理电压方法处理:以UV相为例说明:UVadl为经过低通滤波和零偏处理后的放大系数较小的AD电压、UVad2为经过低通滤波和零偏处理后的放大系数较大的AD 口电压；对UVadl采样值最大值UVadlMax进行判断，如果UVadlMax小于阀值A，则后续AD分析用UVad2、反之用UVadl ;更进一步最大值判断方法为当UVadl电压从负变正开始判断每次电压的大小，将每次比较到的电压最大值保存到UVadlMax，判断结束条件为电压变负。其中阀值A典型值为40V。
[0072]具体的，假定线电压为幅值2V的正弦波，那么通过采样可以判断出此时应当用放大系数较大的电压，该2V电压变为20V的电压，这样软件处理更加容易处理该信号。如果只用原来的原始没经过放大的信号，软件有可能会出现因为输出电压幅值太小检测不到电压。
[0073]步骤S120，采用软件滞环法对输出到所述数字信号处理器的正电压进行整形得到方波电压信号。
[0074]采用软件滞环法对输出到所述数字信号处理器的正电压进行整形得到方波电压信号的步骤包括:
[0075]①采样所述数字信号处理器的正电压。
[0076]②判断采样的正电压与电压阈值B的大小关系。
[0077]③当采样的正电压大于正电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为高电平。
[0078] ④当采样的正电压小于负电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为低电平。
[0079]⑤当采样的正电压大于或等于负电压阈值B且小于或等于正电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为当前电平。
[0080]为了避免采样电压过零点出现波动影响采样频率判断，因此采用软件滞环方法。
[0081]设软件处理后的电平为C，高电平=1，低电平=0。
[0082]C=I当采样电压〉B;
[0083]C=O当采样电压〈-B;
[0084]C=不变当-B≤采样电压≤B。
[0085]处理后的波形如图3所示，其中B典型值为5V。
[0086]步骤S130，计算所述方波电压信号的频率，判断所述方波电压信号的频率是否小于 1Hz。
[0087]若否则按变频器的当前频率启动变频器；
[0088]若是，则对所述变频器进行激磁处理，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于1Hz。
[0089]计算所述方波电压信号的频率的步骤包括:
[0090]将所述方波电压信号高电平上升沿之间的时间的倒数统计为所述方波电压信号的频率。
[0091]整形后的每路方波电压信号频率计算方法为:高电平上升沿之间时间。相位判别方法为其中一路方波处于上升沿变化时，另外一路方波电平高低。根据硬件电路特点，当UV线电压整形后方波电压上升沿时，如果VW线电压整形后的方波电压为低电平，则认为电机旋转方向为逆时针，反之电机旋转方向为顺时针。或者当UW线电压整形后方波电压上升沿时，如果UV线电压整形后的方波电压为高电平，则认为电机旋转方向为逆时针，反之电机旋转方向为顺时针。
[0092]另外为了剔除干扰等因素，当满足下述三个条件才认为计算出的频率为有效值，否则需要重新计算。
[0093]变频器飞车启动控制方法还包括判断所述方波电压信号的频率是否有效。
[0094]判断方波电压信号的频率是否有效的步骤包括:
[0095]①在三相电路的两路线电压UV相和UW相首次出现上升沿时计算对应的频率和相位。
[0096]②当三相电路的UV相有3个上升沿时，Uff相有2个上升沿，且所述UV相和所述UW相每个周期内的频率小于400Hz。
[0097]③计算述UV相的频率UVll、UV12和所述UW相的频率UWll，若所述频率UVll、UV12及UWll之间的偏差不大于各自值的90%时，则认为所述方波电压信号的频率有效。
[0098]首先判断两路线电压UV、UW最开始出现上升沿开始进行频率和相位计算，以UV相上升沿首先动作为例说明，如图4所示。
[0099]I)当UV相有3个上升沿时，UW相必须有2个上升沿；
[0100]2)每个周期内计算的频率小余400HZ ；
[0101]3)UVlK UV12、分别为UV相计算出的频率，Uffll为UW相计算出的频率，要求这三个频率之间彼此偏差不能大于各自值得90%。
[0102]频率计算方法为:选取两个最接近的频率,将两者取平均作为有效频率。
[0103]相位检测为整形后UV方波出现第二个上升沿时整形后UW方波电平高低，如果整形后UW为低电平，则认为电机旋转方向为逆时针，反之电机旋转方向为顺时针。同理可以得出UW相上升沿首先动作的判断情况。
[0104]当上面计算的频率小于IHz或者按照上面的方法持续一定时间没有检测到方波电平变化，则认为没有检测到有效的电压信号，这可能存在两种情况:第一种情况为电机已经停止旋转没有残压信号；另外一种情况时电机正在高速旋转，而残压信号按照转子时间常数衰减到很小值(接近零)。如果出现后面这种情况直接启动则还会出现过流过压情况。为此需要人工进行激磁，使电机侧产生一定的电压以便后续检测用。
[0105]对所述变频器进行激磁处理的步骤包括:
[0106]①对变频器施加频率为W的旋转频率。
[0107]②通过PI调节控制电机的额定电流。
[0108]③检测电机的电流达到额定电流时，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于1Hz。
[0109]施加一个频率为W的旋转频率，通过检测电机电流，输出电压通过PI调节得到，给定电流为电机额定电流。当电流达到给定电流时，变频器停止输出。重新进行步骤110-步骤130 ;如果还没有检测到有效信号，重新进行励磁处理。
[0110]对变频器进行激磁处理的步骤还包括:
[0111]①对变频器施加频率为-W的旋转频率。
[0112]②通过PI调节控制电机的额定电流。
[0113]③检测电机的电流达到额定电流时，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于1Hz。
[0114]施加一个频率为-W的旋转频率的旋转磁场，输出电压根据反馈电流进行PI闭环控制，使反馈电流达到电机额定电流，当电流达到给定电流时，变频器停止输出，重新进行步骤110-步骤130 ;如果还没有检测到有效信号，则认为电机处于零速状态，则直接启动。
[0115]步骤S140，若是，则认为变频器处理零速状态，直接启动；若否则按变频器的当前频率启动变频器。
[0116]当认为搜索到频率为非零值后；变频器从搜索到当前频率启动后，变频器以此频率启动，同时输出电压按照一定斜率加速到VF曲线对应的电压；进一步来说，在过渡过程中加速斜率与检测到电流密切相关，当检测电流小于1/3电机额定电流时，加速斜率是正常值的2倍，其它值为正常的加速度。经过这样处理，既可以保证电机以一个较快的时间完成该过渡过程，又能保证电机电流正常输出。
[0117]典型电流波形如图5、图6所示，从中可以看出电流波形平滑，能够迅速搜索到停车前电机运行频率。其中图5波形为需要激磁波形，图6为不需要激磁波形。图7为不用飞车启动，直接启动电流波形，从图7中可以看出，变频器电流逐渐增大直到过流保护。
[0118]上述变频器飞车启动控制方法通过采样变频器的线电压，并做相应处理输出到数字信号处理器。然后采样软件滞环法对正电压进行整形得到方波电压信号。再通过计算方波电压信号的频率，并根据方波电压信号频率的大小来控制变频器的启动方式。具体为方波电压信号的频率大于或IHz时，变频器处于转动状态，因此，控制变频器以当前频率启动，避免出现变频器发转或是与当前转动频率不一致而造成变频器及负载的损坏。且上述变频器飞车启动控制方法的计算方法简便快捷，不需要复杂的算法就能够完成变频器的飞车启动控制。
[0119]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种变频器飞车启动控制方法，包括以下步骤: 采样变频器的线电压，并将采样的线电压处理为适应数字信号处理器的正电压同时输出到所述数字信号处理器； 采用软件滞环法对输出到所述数字信号处理器的正电压进行整形得到方波电压信号; 计算所述方波电压信号的频率，判断所述方波电压信号的频率是否小于IHZ ； 若否则按变频器的当前频率启动变频器； 若是，则对所述变频器进行激磁处理，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于IHz ； 若是，则认为变频器处理零速状态，直接启动；若否则按变频器的当前频率启动变频器。
2.根据权利要求1所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，所述采样变频器线电压的步骤包括:采样变频器线电压上的两路电压。
3.根据权利要求2所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于， 所述将采样的线电压处理为适应数字信号处理器的正电压的步骤包括: 将所述采样的线电压的两路电压采用两种放大倍数的运算放大器放大； 采用上拉电路将放大后的线电压处理为正电压； 将处理为正电压的线电压钳位成适应所述数字信号处理器的正电压。
4.根据权利要求3所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，还包括在采用两种放大倍数的运算放大器放大两路电压后，将放大倍数小的采样线电压的最大值与阈值A进行比较； 若小于阈值A，则将放大倍数大的采样线电压输出给上拉电路； 若大于阈值A，则将放大倍数小的采样线电压输出给上拉电路。
5.根据权利要求1所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，所述采用软件滞环法对输出到所述数字信号处理器的正电压进行整形得到方波电压信号的步骤包括: 采样所述数字信号处理器的正电压； 判断采样的正电压与电压阈值B的大小关系； 当采样的正电压大于正电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为高电平; 当采样的正电压小于负电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为低电平; 当采样的正电压大于或等于负电压阈值B且小于或等于正电压阈值B时，将所述数字信号处理器的正电压整形为当前电平。
6.根据权利要求1所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，所述计算所述方波电压信号的频率的步骤包括: 将所述方波电压信号高电平上升沿之间的时间的倒数统计为所述方波电压信号的频率。
7.根据权利要求1所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，还包括判断所述方波电压信号的频率是否有效。
8.根据权利要求7所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，所述判断方波电压信号的频率是否有效的步骤包括: 在三相电路的两路线电压UV相和UW相首次出现上升沿时计算对应的频率和相位； 当三相电路的UV相有3个上升沿时，UW相有2个上升沿，且所述UV相和所述UW相每个周期内的频率小于400Hz ； 计算述UV相的频率UVl1、UV12和所述UW相的频率UWll，若所述频率UVl1、UV12及Uffll之间的偏差不大于各自值的90%时，则认为所述方波电压信号的频率有效。
9.根据权利要求1所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，所述对所述变频器进行激磁处理的步骤包括: 对变频器施加频率为W的旋转频率； 通过PI调节控制电机的额定电流； 检测电机的电流达到额定电流时，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于1HZ。
10.根据权利要求9所述的变频器飞车启动控制方法，其特征在于，所述对所述变频器进行激磁处理的步骤还包括: 对变频器施加频率为-W的旋转频率； 通过PI调节控制电机的额定电流； 检测电机的电流达到额定电流时，按上述步骤采样变频器的线电压并判断处理后的线电压对应的方波信号的频率是否小于IHz。
【文档编号】H02M1/36GK103916000SQ201410079831
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】曹力研, 郑伟 申请人:深圳市海浦蒙特科技有限公司