一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制方法
【专利摘要】本发明为提供一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制方法，变频器主机周期性的向变频器从机发送励磁电压给定值积分分量、转矩电压给定值积分分量以及合成电压矢量与参考轴A轴的夹角三个物理量；当变频器主机发生故障时，变频器主机向变频器从机发送数字量信号，此时：变频器从机将接收到的发生故障前最后一拍的励磁电压给定值积分分量和转矩电压给定值积分分量作为幅值初始值；变频器从机根据当前编码器测得的速度进行同步速计算和角度积分，得到一个角度值，与接收到的发生故障前最后一拍的合成电压矢量与参考轴A轴的夹角相加，作为角度初始值；变频器从机开始发波运行。与传统的冗余切换相比，本发明实现了高速运行时的冗余切换。
【专利说明】一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于变频器控制领域，具体涉及一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控 制方法。
【背景技术】
[0002] 冶金和石油等一些重要的生产场合，对设备的可靠性要求很高，要求设备能够长 期连续稳定运行，这些设备一旦出现故障，将会对生产造成巨大的负面影响，造成严重的经 济损失，甚至可能出现一些安全事故，但是任何电气设备都是有一定的寿命限制的，存在失 效的可能性，为了降低器件失效对生产的影响，有必要引入冗余控制。
[0003] 变频器闭环矢量的冗余控制，就是将一台变频器作为主机，另外一台变频器作为 从机，两台变频器连接至同一台电机，正常情况下，通过主机控制电机的运行，从机处于待 机状态，当主机出现故障时，切换至从机控制电机继续运行。要求切换过程平稳过渡，电机 转速不能变化太大，电流不能过高，示意图如图1所示。
[0004] 传统的冗余控制，当主机故障时，通过端子或者通讯的方式告知从机，从机接收到 主机的故障信息后开始运行，首先通过转速跟踪捕捉电机的当前转速，然后以当前转速为 起点进行冗余切换控制。
[0005] 这种方法动作较慢，冗余切换过程时间较长，无法维持电机的连续运行，电机可能 出现大幅度的减速甚至停机，从而无法实现高速运行时的冗余切换，只能用于低速运行时 的冗余切换。
[0006] 究其原因，电机自由停机后，磁场无法瞬间消退，此时转子旋转通过磁场作用在定 子绕组上产生一个反电动势，该反电动势呈现衰减特性，如果在反电动势较高时直接通过 捕获到的频率起动，由于磁场角度的不确定性，可能造成定子绕组两端承受较高的电压，容 易引起过流，随机性很强，因此通常需要等待一段时间，等到反电动势的幅值减小后，再进 行转速跟踪起动，此时反电动势影响减少，不易引起过流，消磁时间与电机功率有关，一般 功率越大，消磁时间越长，该时间以秒为单位，即转速跟踪在起动前至少需要延迟1秒钟以 上，对于较大阻尼的负载而言，1秒内可能已经停机。此外，检测到当前转速后，需要通过矢 量控制的速度环和电流环的处理后输出才能建立，如图2所示，速度环和电流环的积分时 间也是造成延时的一个重要原因，导致冗余切换后电机输出频率下降较多，无法连续运行。
[0007] 图中：ω#表示频率给定，ω表示经过编码器测得的电机输出频率，IT_REF表示速 度环输出即转矩电流给定值，IT_FED表示转矩电流反馈值，IM_REF表示励磁电流给定值， IM_FED表示励磁电流反馈值，UT_REF表示转矩电流环输出即转矩电压给定值，UM_REF表示 励磁电流环输出即励磁电压给定值，i b和i。表示变频器输出电流，isa和ise分别表示输出 电流i b和i。经过CLARKE变换后的电流。
【发明内容】
[0008] 针对传统冗余切换延迟时间较长、无法满足高速运行时的冗余切换问题，本发明 提供一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制方法，可以实高速运行时的变频器闭环矢 量冗余控制。
[0009] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种高速运行时的变频器闭环 矢量冗余控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
[0010] 1)变频器主机周期性的向变频器从机发送励磁电压给定值积分分量、转矩电压给 定值积分分量以及合成电压矢量与参考轴A轴的夹角三个物理量；
[0011] 2)当变频器主机发生故障时，变频器主机向变频器从机发送数字量信号，此时：
[0012] 变频器从机将接收到的发生故障前最后一拍的励磁电压给定值积分分量和转矩 电压给定值积分分量作为幅值初始值；
[0013] 变频器从机根据当前编码器测得的速度进行同步速计算和角度积分，得到一个角 度值，与接收到的发生故障前最后一拍的合成电压矢量与参考轴A轴的夹角相加，作为角 度初始值；
[0014] 变频器从机开始发波运行。
[0015] 按上述方案，步骤1)中变频器主机通过总线周期性的向变频器从机发送励磁电 压给定值积分分量、转矩电压给定值积分分量以及合成电压矢量与参考轴A轴的夹角三个 物理量。
[0016] 按上述方案，步骤2)中当变频器主机发生故障时，变频器主机通过I/O端口向变 频器从机发送数字量信号。
[0017] 本发明的有益效果为：本发明不需要检测停机后的电机反电动势的幅值和相位， 节省了硬件成本；同时，与传统的冗余切换相比，实现了高速运行时的冗余切换，整个切换 过程非常短，保证了生产的持续稳定运行，本发明实验效果良好，值得推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为变频器闭环矢量冗余控制示意图。
[0019] 图2为变频器闭环矢量控制框图。
[0020] 图3为本发明一实施例的变频器闭环矢量冗余切换示意图。
[0021] 图4为50Hz冗余切换时的从机输出电流和电机转速图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
[0023] 图3为本发明一实施例的变频器闭环矢量冗余切换示意图，它包括以下步骤：
[0024] 1)变频器主机（本实施例中通过485总线）周期性的向变频器从机发送励磁电压 给定值积分分量、转矩电压给定值积分分量以及合成电压矢量与参考轴A轴的夹角三个物 理量；
[0025] 2)当变频器主机发生故障时，变频器主机（本实施例中通过I/O端口）向变频器 从机发送数字量信号，此时：
[0026] 变频器从机将接收到的发生故障前最后一拍的励磁电压给定值积分分量和转矩 电压给定值积分分量作为幅值初始值；
[0027] 变频器从机根据当前编码器测得的速度进行同步速计算和角度积分，得到一个角 度值，与接收到的发生故障前最后一拍的合成电压矢量与参考轴A轴的夹角相加，作为角 度初始值；
[0028] 变频器从机开始发波运行。
[0029] 本发明的工作原理为：为了维持负载的连续运行，最直接的方法就是尽可能维持 变频器主机故障后的输出状态不变，让变频器从机以该状态作为初始状态进行冗余切换。 而维持输出状态的参数包含励磁电压给定值的积分分量和转矩电压给定值的积分分量以 及合成电压矢量与参考轴A轴之间的夹角，因此只需要在变频器主机发生故障时，变频器 从机从变频器主机上采集以上几个量并进行简单运算即可。
[0030] 为了验证本发明的实验效果，通过两台7. 5kW变频器和一台7. 5kW交流电机进行 冗余切换实验，一台变频器作为主机，另一台变频器作为从机，测试冗余切换时的变频器从 机的输出电流值和电机转速两个信号，观察切换过程中电机转速和变频器从机输出电流的 变化情况，结果如图4所示。图4中可以看到，冗余切换过程中，电机转速由电机额定频 率（50Hz)的100%降至99. 3%，变频器从机最大输出电流达到电机额定电流（16. 2A)的 45%，冗余切换过程中电机转速和变频器从机输出电流均未出现较大波动，切换过程非常 平稳，实验证明本发明确实可以实现高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制。
[0031] 本发明不需要检测停机后的电机反电动势的幅值和相位，节省了硬件成本，同时 与传统的冗余切换相比，实现了高速运行时的冗余切换，本实施例整个切换过程在100ms 内完成，保证了生产的持续稳定运行，本发明实验效果良好，值得推广应用。
[0032] 以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术 人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依 据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制方法，其特征在于：它包括以下步骤： 1) 变频器主机周期性的向变频器从机发送励磁电压给定值积分分量、转矩电压给定值 积分分量以及合成电压矢量与参考轴A轴的夹角三个物理量； 2) 当变频器主机发生故障时，变频器主机向变频器从机发送数字量信号，此时： 变频器从机将接收到的发生故障前最后一拍的励磁电压给定值积分分量和转矩电压 给定值积分分量作为幅值初始值； 变频器从机根据当前编码器测得的速度进行同步速计算和角度积分，得到一个角度 值，与接收到的发生故障前最后一拍的合成电压矢量与参考轴A轴的夹角相加，作为角度 初始值； 变频器从机开始发波运行。
2. 根据权利要求1所述的一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制方法，其特征在 于：步骤1)中变频器主机通过总线周期性的向变频器从机发送励磁电压给定值积分分量、 转矩电压给定值积分分量以及合成电压矢量与参考轴A轴的夹角三个物理量。
3. 根据权利要求1所述的一种高速运行时的变频器闭环矢量冗余控制方法，其特征在 于：步骤2)中当变频器主机发生故障时，变频器主机通过I/O端口向变频器从机发送数字 量信号。
【文档编号】H02P21/00GK104065318SQ201410298391
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】康现伟, 陶文涛, 王胜勇, 卢家斌, 王国强 申请人:中冶南方（武汉）自动化有限公司