一种变频器控制电机过励磁停机的方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种变频器控制电机过励磁停机的方法，利用电机过励磁进行停机，当电机停机时，如果因为转子惯量较大，电机进入发电状态，变频器通过加大定子励磁电流，使电机过励磁，将多余的电能转化为热能消耗掉，进而使电机尽快停机，且不会报出过压或者过流的故障。本发明还提供一种变频器控制电机过励磁停机的装置。
【专利说明】一种变频器控制电机过励磁停机的方法及其装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于变频器领域，特别涉及一种变频器控制电机过励磁停机的方法及其装 置。
【背景技术】
[0002] 变频器是将固定频率的交流电变换成频率连续可调的交流电的装置，在工业的各 个行业广泛应用。变频调速已被公认为时最理想、最有发展前途的调速方式之一，它的主要 应用在节能、自动化系统以及提高工艺水平和产品质量等方面。
[0003] 电机在停机后依靠惯性还要转动一段时间才能停下来，但很多应用场合要求电机 能够快速的停下来，比如起重机或者卷扬机、机床的主轴、升降机等。在电机拖动的负载具 有较大的机械惯性的应用场合，当变频器控制电机从高速到低速(零速）时，此时电机的运 行频率下降很快，但电机转子不可能很快停止，这样就产生反电动势，使电机处于发电状 态。但由于通用变频器通常都是交-直-交的主回路，是不可逆的，因此无法反馈到电网上 去，结果造成主回路母线电容两端电压抬升(称为泵升电压)，当其超过设定限值时，容易造 成变频器过压。因此需要采取某些措施对电机进行控制，达到快速制动或停机的目的。
[0004] 目前电机的制动方式主要有能耗制动、再生回馈制动、直流制动。
[0005] 能耗制动的基本原理是在主回路正负母线上并联可控制通断的制动电阻，电机制 动过程中，如果进入发电状态，当母线电压达到设定上线电压时，制动回路导通，制动电路 流过电流，从而将电能变成热能消耗，母线电压随之下降，待母线电压到达设定下限时，制 动回路断开。
[0006] 能耗制动的缺点制动时间是人为设定的，属于不可控，制动时母线电压存在一定 幅度的波动，输出电流和制动力矩会同步波动，影响电机的稳定性。能耗制动需要外接制动 电阻，增加了部分成本。另外能耗制动运行效率低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能 量，而且制动电阻容量也将增大。
[0007] 直流制动的原理：在电机定子加直流电压，此时变频器的输出频率为零，这时定子 产生静止的恒定磁场，转动着的转子切割此磁场产生制动力矩，迫使电动机转子较快的停 止，这样电动机存诸的动能换成电能消耗于步电动机的转子电路中。主要应用在需要准确 停车、阻止电机启动前的不规则自旋转(如风机）等场合。
[0008] 直流制动的缺点是需要设定制动起始频率、在电机运行频率下降到较低时制动对 电机比较安全，电机高速运行时容易造成过流或者过压。一般需要与其它制动方式配合使 用。
[0009] 回馈制动的原理：当电机减速时，如果进入发电状态，可以通过一套能量回馈装 置，进行自动控制，将电机发电状态产生的电能送回电网。该方式下，电机可以四象限运行， 向电网回馈电能提高了整个系统的效率。
[0010] 回馈制动的缺点：只有在不易发生故障的稳定电网电压下，才可以采用回馈制动 的方式，否则容易发生换相失败，损坏器件；回馈制动，对电网有谐波污染，同时其控制复 杂，使用成本较高。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于提供一种控制简单且成本低的变频器控制电机过励磁停机的 方法。
[0012] 本发明还提供一种变频器控制电机过励磁停机的装置。
[0013] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种变频器控制电机过励磁停 机的方法，包括如下步骤： a、 当需要停机或者制动时，变频器给出减速命令，执行步骤b ; b、 判断母线电压是否达到设定的上限值，如果没有达到则执行步骤g，如果达到设定则 执行步骤c ; c、 判断变频器母线电压或者输出电流是否达到故障预判值，如果没有达到则执行步骤 d，如果达到设定则执行步骤i ; d、 对定子电流进行电流解耦运算，得到励磁电流IM，并执行步骤e ; e、 对励磁电流IM进行PI调节，输出调节量，并执行步骤f ; f、 根据步骤e中输出的调节量对V/F输出电压进行调节，输出调整后的电压值，并执行 步骤h ; g、 输出频率按照根据设定的频率下降率减小、根据V/F曲线，计算输出电压，并执行步 骤j ; h、 输出频率按照根据设定的频率下降率减小，并执行步骤j ; i、 减小输出频率下降率，根据V/F曲线，计算输出电压，并执行步骤j ; j、 判断减速是否完成，即输出频率是否到达设定频率，如果没有完成则执行步骤b，如 果完成则执行步骤k ; k、 减速结束。
[0014] 在步骤d中，对解耦的电流分量IM进行标么处理。
[0015] 在步骤e中，调节目标量根据实际的负载情况可以设定为电机额定电流的 1. (Γ1. 3倍，调节输出量为输出电压增量。
[0016] 本发明还提供一种变频器控制电机过励磁停机的装置，包括： 用于根据变频器的输出频率，计算电机ν/F曲线的电压值的V/F输出电压运算装置； 用于对电机定子电流进行解耦，得到励磁电流IM的激励电流运算装置； 用于对励磁电流IM进行调节的PI调节装置； 所述PI调节装置输出调节量对所述V/F输出电压运算装置的输出电压进行调节，从而 调节电机定子电流。
[0017] 其中，上述变频器控制电机过励磁停机的装置进一步包括用于对变频器的输出频 率进行调节的频率调节装置。
[0018] 其中，上述变频器控制电机过励磁停机的装置进一步包括对变频器母线电压、输 出电流进行采样的采样装置。
[0019] 其中，上述变频器控制电机过励磁停机的装置进一步包括用于控制电机驱动的变 频器电机驱动装置。
[0020] 其中，上述变频器控制电机过励磁停机的装置进一步包括依次连接的电压矢量计 算模块、PWM占空比计算模块，用于将所述V/F输出电压运算装置的输出电压经过调节后的 电压生成三相脉冲电压。
[0021] 其中，上述激励电流运算装置包括park变换单元和Clarke变换单元。
[0022] 其中，上述变频器控制电机过励磁停机的装置进一步包括用于对V/F输出电压运 算装置的输出电压和PI调节器的输出量进行叠加调节的加法器。
[0023] 与现有技术相比较，实施本发明的变频器控制电机过励磁停机的方法，具有以下 有益效果：与能耗制动方式相比，该方法节省了制动电阻及相关硬件电路的成本，并避免了 上述硬件电路带来的系统故障点，提高了系统的可靠性和运行效率；与直流制动方式相比， 该方法适用于整个制动阶段，不必在减速的高频和低频阶段采用不同的制动方式；与回馈 制动方式相比，该方法的优势在于控制方法简单且对电网无谐波干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的控制过励磁停机的装置的结构示意图。
[0025] 图2是本发明变频器控制电机过励磁停机的方法的流程图。
[0026] 图3是未开启过励磁停机，变频器控制电机正常停机的电流波形。
[0027] 图4是开启过励磁停机，变频器控制电机以过励磁方式停机的电流波形。
【具体实施方式】
[0028] 本发明利用电机过励磁进行停机，当电机停机时，如果因为转子惯量较大，电机进 入发电状态，变频器通过加大定子励磁电流，使电机过励磁，将多余的电能转化为热能消耗 掉，进而使电机尽快停机，且不会报出过压或者过流的故障。
[0029] 如图1所示，本发明的变频器控制过励磁停机的装置100包括变频器电机驱动装 置110、频率调节装置120、母线电压和相电流采样电路102、定子电流解耦计算装置134、 励磁电路PI调节器105、V/F输出电压运算装置106、加法器107、电压矢量计算模块108、 PWM占空比计算模块109。其中，定子电流解耦计算装置134进一步包括，park变换单元103 和clarke变换单元104。各部件的功能和作用将结合图2进行详细说明。电压矢量计算模 块108、PWM占空比计算模块109生成三相的IGBT驱动电压 在图2所示的一种变频器控制电机过励磁停机的方法中，包括如下步骤： 511、 当需要停机或者制动时，变频器给出减速命令，电机的减速时的频率下降率由变 频器的频率调节装置120设定； 512、 母线电压和相电流采样电路102每隔2ms采样母线电压Vdc，判断母线电压是否达 到设定的上限值，如果没有达到则执行步骤S18,表明按照当前的V/F曲线进行减速，变频 器的母线电容可以承受，不需要进行过励磁停机控制，继续正常停机命令即可；如果达到上 限设定值，则表明变频器的母线承受不了电机电动状态带来的泵升电压，需要进行过励磁 停机控制，执行步骤S13 ; 513、 判断变频器母线电压Vdc或者三相输出电流Iu、Iv、Iw的电流有效值是否达到故 障预判值，如果没有达到则执行步骤S15,如果达到设定则执行步骤S14 ; 514、 当母线电压或输出电流有效值达到故障预判值，此时需要频率调节装置120减小 输出频率下降率，以避免变频器报出过压或者过流故障，根据V/F曲线，计算输出电压，并 执行步骤S19 ; 515、 电流解稱计算装置134对定子电流Iu、Iv进行电流解稱运算，经过park变换单 元103和clarke变换单元104进行park变换和clarke变换后，得到励磁电流I M和转矩 电流Ιτ，为了便于计算，应对解耦的电流分量进行标么处理，并执行步骤S16 ; 516、 PI调节器105对励磁电流ΙΜ进行ΡΙ调节，调节目标量根据实际的负载情况可以 设定为电机额定电流的1. (Γ1. 3倍，调节输出量为输出电压增量dV，并执行步骤S17 ; 517、 励磁电流IM的PI调节输出电压增量dV与根据V/F曲线计算的输出电压V/FVolt 通过加法器107求和得到调整后的电压值V/FVolt + dV，电压矢量计算模块108、PWM占空 比计算模块109将调整后的电压值V/FVolt + dV转换为三相脉冲电压输出给变频器电机 驱动装置110,将并执行步骤S18 ; 518、 频率调节装置120控制输出频率按照根据设定的频率下降率减小，并执行步骤 S19 ； 519、 判断减速是否完成，即输出频率是否到达设定频率，如果没有完成则执行步骤 S12,如果完成则执行步骤S20 ; 520、 减速结束。
[0030] 图3是未采用本发明的控制方法，正常方式停机的电流实测波形，横坐标表示时 间，纵坐标为u相电流值，电机功率2. 2kW的情况下测试，带大惯量负载，设置停机时间为 ls，实测停机时间为1. 3s，电流有效值5. 5A。
[0031] 图4是采用本发明的控制方法的实测停机电流波形，横坐标表示时间，纵坐标为u 相电流值，电机功率2. 2kW的情况下测试，带大惯量负载，设置停机时间为ls，实测停机时 间为1. ls，电流有效值6.45A。
[0032] 从图3和图4的对比看，采用本发明过励磁控制方式的停机电流比不采用本发明 的停机电流有效值大17. 3%，停机时间缩短15. 4%，同时电流稳定性也明显优于不采用过励 磁停机的控制方式。
[0033] 综上所述，本发明通过对停机时的定子电流进行解耦计算，得到励磁电流和转矩 电流，对励磁电流的闭环控制，使励磁电流增加到设定值。实现快速稳定的过励磁停机。与 现有停机方式相比，本发明在不增加任何硬件成本的前提下，缩短了停机时间、提高了停机 电流和母线电压的稳定性，从而提高了系统的可靠性和稳定性。
[〇〇34] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种变频器控制电机过励磁停机的方法，其特征在于，包括如下步骤： a、 当需要停机或者制动时，变频器给出减速命令，执行步骤b ; b、 判断母线电压是否达到设定的上限值，如果没有达到则执行步骤g，如果达到设定则 执行步骤c ; c、 判断变频器母线电压或者输出电流是否达到故障预判值，如果没有达到则执行步骤 d，如果达到设定则执行步骤i ; d、 对定子电流进行电流解耦运算，得到励磁电流IM，并执行步骤e ; e、 对励磁电流IM进行PI调节，输出调节量，并执行步骤f ; f、 根据步骤e中输出的调节量对V/F输出电压进行调节，输出调整后的电压值，并执行 步骤h ; g、 输出频率按照根据设定的频率下降率减小、根据V/F曲线，计算输出电压，并执行步 骤j ; h、 输出频率按照根据设定的频率下降率减小，并执行步骤j ; i、 减小输出频率下降率，根据V/F曲线，计算输出电压，并执行步骤j ; j、 判断减速是否完成，即输出频率是否到达设定频率，如果没有完成则执行步骤b，如 果完成则执行步骤k ; k、 减速结束。
2. 根据权利要求1所述的变频器控制异步电机过励磁停机的方法，其特征在于，步骤d 中，对解耦的电流分量IM进行标么处理。
3. 根据权利要求1所述的变频器控制电机过励磁停机的方法，其特征在于，步骤e中， 调节目标量根据实际的负载情况可以设定为电机额定电流的1. (Γ1. 3倍，调节输出量为输 出电压增量。
4. 一种变频器控制电机过励磁停机的装置，其特征在于，包括： 用于根据变频器的输出频率，计算电机V/F曲线的电压值的V/F输出电压运算装置； 用于对电机定子电流进行解耦，得到励磁电流IM的激励电流运算装置； 用于对励磁电流IM进行调节的PI调节装置； 所述PI调节装置输出调节量对所述V/F输出电压运算装置的输出电压进行调节，从而 调节电机定子电流。
5. 根据权利要求4所述的变频器控制电机过励磁停机的装置，其特征在于，进一步包 括用于对变频器的输出频率进行调节的频率调节装置。
6. 根据权利要求4所述的变频器控制电机过励磁停机的装置，其特征在于，进一步包 括对变频器母线电压、输出电流进行采样的采样装置。
7. 根据权利要求4所述的变频器控制电机过励磁停机的装置，其特征在于，进一步包 括用于控制电机驱动的变频器电机驱动装置。
8. 根据权利要求4所述的变频器控制电机过励磁停机的装置，其特征在于，进一步包 括电压矢量计算模块、PWM占空比计算模块，用于将所述V/F输出电压运算装置的输出电压 经过调节后的电压生成三相脉冲电压。
9. 根据权利要求4所述的变频器控制电机过励磁停机的装置，其特征在于，激励电流 运算装置包括park变换单元和clarke变换单元。
10.根据权利要求4所述的变频器控制电机过励磁停机的装置，其特征在于，进一步包 括用于对V/F输出电压运算装置的输出电压和PI调节器的输出量进行叠加调节的加法器。
【文档编号】H02P3/18GK104104279SQ201410367786
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】王茂峰 申请人:深圳市步科电气有限公司