变频器系统输入侧故障保护方法及控制系统与流程

1.本发明涉及变频器领域，更具体地说，涉及变频器系统输入侧故障保护方法及控制系统。


背景技术：

2.当前由多台变频器组成的变频器系统在实际应用中越来越广泛。通过多台变频器的协同关联控制，可完成复杂生产现场的工艺要求。变频器系统的供电可以是每台变频器单独供电，也可是统一供电，这样在处理系统输入侧故障时，就需要区分不同情况进行故障处理。
3.变频器正常运行过程中，采用的是三相工频电源，当电网发生波动，如电压短时间内突然失电或由于较大负载突然投入引起电网电压短暂下降时，如果不采取任何措施，由于电机侧的负载以及变频器自身的损耗，电容上的能量会很快的消耗，使其电压迅速下降，当母线电压低于变频器自身的欠压点时，就会导致变频器进入不受控停机模式。
4.此时变频器系统内不同的变频器如果因断电使停机过程不受控制，不同变频器间的动作不保持协调关联性，会对变频器系统的整体运行造成影响，进一步可能发生事故。
5.在确认电源电压再次达到启动电压后，则变频器系统进入再次启动状态，而对于一些需要连续运行的工业生产场合，由于电网的波动引起的变频器系统停机再启动，会影响其正常的生产运行，造成不必要的经济损失，所以需要采取一些措施避免此类情况的出现。
6.综上所述，对变频器系统整体上的输入侧故障保护方法与控制系统成为越来越受到关注的实际问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种变频器系统输入侧故障保护方法及控制系统，来解决在多台变频器组成变频器系统在运行过程中发生输入侧故障时的保护问题。对于变频器系统的输入侧的主要功能是对整个变频器系统进行供电，变频器系统可以对系统内每台变频器单独供电，或是选择统一供电。在发生变频器系统输入侧故障时，通过检测变频器系统的外部电压电流数据与变频器内部直流母线的电压电流数据，来确定变频器系统输入侧故障的类型。
8.参见图1所示，针对变频器系统内的每台变频器10，均有变频器系统输入侧故障检测单元20和变频器系统输入侧故障保护单元40与其相连；并与变频器系统输入侧故障通讯单元30进行通讯联系，为后期在发生变频器系统输入侧故障时，在确定故障类型的过程中，变频器自身的故障检测数据和变频器系统输入侧故障检测单元的检测数据同时提供给变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元，增加故障检测的准确性，避免误动作；同时变频器系统输入侧故障保护系统的各个单元可根据变频器系统内变频器的情况进行增加，增加了系统的灵活性。
9.所述变频器系统输入侧故障保护方法包括以下步骤：在变频器系统上电时，通过变频器系统输入侧故障保护通讯单元与变频器系统的通讯，记录变频器系统中每台变频的基础资源表到变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元中，作为发生故障时变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元执行保护动作的依据；变频器系统正常运行时，变频器系统输入侧故障保护检测单元实时检测各个变频器的运行状态，当变频器系统发生输入侧故障时，变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元分析故障状态，以及发生故障的变频器数量，根据前期保存的变频器系统基础资源表进行分析，确定应该采取的保护措置；保护措施通过变频器系统输入侧故障保护执行单元执行，并保存当前变频器系统运行数据到变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元，同时对外报警；故障排除后，变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元对变频器系统进行现场恢复并继续运行。
10.变频器系统输入侧故障检测单元可对变频器系统中输入侧故障进行故障检测，所述检测故障包括：1)对于单台变频器，输入侧故障检测包括输入电源电压幅值检测，输入三相电源缺相检测，输入电源三相不平衡检测，直流母线电压限值检测，直流母线电流检测；2)对于变频器系统，输入侧故障检测包括进线电源电压检测，输入侧进线电流检测；实际包括的检测单元数量根据变频器系统实际要求进行增减，保证系统的输入侧运行状态实时得到检测。
11.变频器系统自身的故障检测和变频器系统输入侧故障保护系统的故障检测可互为验证，如图3所示，可以提高故障判断的准确性，避免误动作。
12.变频器系统输入侧的故障保护针对的故障可分为短时电压跌落故障和断电故障。针对短时电压跌落故障采取的保护措施主要保证变频器能够不受影响的正常运行；对于断电故障，采取的保护措施主要保证变频器系统内的变频器能相互协调关联的有序停机，或是同步停机，避免因为系统内变频器的停止运行不受控而对系统产生不利影响。
13.在需要变频器系统停机的情况下，应该保存故障时变频器系统的运行数据，为后期系统故障排除后的恢复运行提供参考。变频器系统内采用共直流母线系统以此保证变频器系统协调停机的步骤如下：首先确定变频器系统发生断电故障或短时断电故障，通过变频器系统输入侧故障保护执行单元在各台变频器的直流母线电容间接触器可根据实际情况构成共直流母线运行系统；其次，考虑合理的避免不必要的能量损失，在主要储能环节直流母线电容的电路前后端按实际需要分断所有不必要的损耗电路，使变频器系统在发生输入侧故障时组成共直流母线系统只完成必要的操作，减少其他能量损耗；进一步的，在确定变频器系统的直流母线总储能后，可确定在发生电源故障时变频器系统可正常运行的时间；最后，按此运行时间为上限预留相应余量后，对系统内各变频器停机参数进行设置，保证变频器系统内各变频器按系统指令要求停机或进入保护状态。同时对外报警，保存变频器系统现场运行数据，为变频器系统恢复运行提供数据支撑。
14.本发明还提供了变频器系统输入侧故障保护控制系统，包括以下单元：变频器系统输入侧保护系统通讯单元，变频器系统输入侧故障检测单元，变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元，变频器系统输入侧故障保护执行单元；其中变频器系统输入侧故障检测单元包括对变频器内部输入侧的故障检测，也包括对变频器系统外部输入侧的故障检测；变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元包括逻辑控制系统，存储系统和外围操作单元；
变频器系统输入侧故障保护执行单元执行对变频器及变频器系统的故障保护；变频器系统输入侧故障保护通讯单元负责变频器系统输入侧故障保护系统与变频器系统的通讯。
15.有益效果：该发明具备对变频器系统输入侧的保护功能，且易于按变频器系统需求进行拓展，对于变频器系统输入侧故障保护提供了合理的保护方案，使变频器系统可以安全、高效运行，在发生故障后的系统恢复也提供了数据支持。
附图说明
16.利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
17.图1是本发明变频器系统输入侧故障保护控制系统的原理示意图；图2为本发明变频器系统输入侧故障保护方法的工作逻辑控制流程示意图；图3为本发明变频器系统输入侧故障保护方法故障判断原理示意图；图4为本发明变频器系统输入侧故障保护方法故障判断流程示意图；图5为本发明变频器系统输入侧故障保护方法故障分析处理流程图；图6为本发明变频器系统输入侧故障保护控制系统在单变频器组成变频器系统发生输入侧故障进行保护的结构示意图；图7为本发明变频器系统输入侧故障保护控制系统对多台组成的变频器系统发生输入侧故障进行保护的结构示意图。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
19.变频器系统输入侧故障保护方法包括以下步骤如图2所示，具体实施步骤包括：步骤s201：变频器系统通电开机后，每台变频器进行自检，变频器系统输入侧故障保护通讯单元建立与变频器系统内每台变频器的通讯联系，通讯方式可选择：485通讯，modbus通讯，以实际变频器系统使用的通讯方式为准；步骤s202：变频器系统与变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元通过变频器系统输入侧故障保护通讯单元建立通讯，存储变频器基本运行参数到变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元中，单台变频器的基本运行参数包括：每台变频器的额定功率，每台变频器的直流母线电容容量，每台变频器的直流母线电压限制，每台变频器输入侧电流限值；所有相关数据记录到每台变频器对应的资源表，存储在变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元中指定的存储单元，建立变频器系统基础资源表；进一步的，变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元中的变频器系统基础资源表，还包括：组成变频器系统的变频器数量，系统中各台变频器的联动关系；此信息作为变频器系统基础资源表与单台变频器基础资源表分别存储在指定的存储单元；
步骤s203：变频器系统内每台变频器对应的变频器系统输入侧故障检测单元的基础运行参数保存到变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元中，变频器系统输入侧故障检测单元的基础运行参数包括：每台变频器输入侧故障检测单元数量，变频器内部输入侧故障检测单元编号，变频器外部输入侧故障检测单元编号；变频器系统内各变频器间的变频器系统输入侧故障检测单元编号；所有这些信息组成变频器输入侧故障保护检测单元基础资源表，存储在指定的存储单元，为后期发生故障时的保护动作提供基础数据；步骤s204：变频器系统内每台变频器对应的变频器系统输入侧故障保护执行单元的基本参数保存到变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元中，变频器系统输入侧故障保护执行单元的基本参数包括：每台变频器输入侧故障保护执行单元数量，每台变频器内部输入侧故障保护执行单元编号，每台变频器外部输入侧故障保护执行单元编号；变频器系统输入侧故障保护执行单元信息，变频器系统内两台变频器之间的变频器系统输入侧故障保护执行单元信息，所有数据组成变频器系统输入侧故障保护执行单元基础资源表存储在指定的存储单元，为后期发生故障时的保护动作提供基础数据；步骤s205：通过变频器系统输入侧故障保护系统的通讯单元，实时接收变频器系统的运行状态信息，同时接收变频器系统输入侧故障检测单元的检测数据，变频器系统输入侧电源实时电压电流参数与变频器内部直流母线电压电流数据发送到变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元，综合判断变频器系统输入侧是否发生故障及发生故障信息；步骤s206：如果发生变频器系统输入侧故障，根据故障信息通过变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元的指令使变频器系统输入侧故障保护执行单元动作，同时保存变频器系统运行的状态信息，记录故障发生时变频器系统内每台变频器的运行状态，为故障排除后的运行提供必要信息；步骤s207：变频器系统输入侧故障发生时，变频器系统输入侧故障保护可对单台变频器进行保护，也可对变频器系统整体进行保护，所采取的措施按变频器系统输入侧逻辑控制单元的指令执行；步骤s208：变频器系统输入侧故障发生后，变频器系统输入侧故障保护动作执行完毕后，报警并等待故障排除；故障排除后，按故障时记录的运行状态，恢复变频器系统运行。
20.变频器系统的输入侧在变频器的主电路结构中输入侧指前端的桥式三相整流电路和中间的直流母线电容电路。针对输入侧的保护，变频器自身一般会包括输入缺相，输入过压，直流母线电压报警。
21.直流母线电压保护，在发生过压时是为了防止出现直流母线电压过高，造成电容或者igbt等器件损坏，变频器判断过压的检测点在直流母线，以3ac380-480v 交流电压等级为例，正常直流母线电压约为1.35倍的交流进线电压计算，通常为dc 520v-dc 540v之间。
22.当变频器所驱动的负载惯量比较大，快速降速时，或者变频器拖动位能性负载下放时，电机转子实际转速高于变频器输出给电机的转速，造成负载反拖电机，电机处于发电运行状态，机械能转化为电能，通过变频器的逆变桥igbt反并联二极管回馈到变频器的直流母线，由于直流母线的电容容量固定，随着回馈能量的增加，直流母线电压随之升高，达到一定的限值可能导致器件的损坏，所以此时必须抑制过压趋势。
23.欠压保护检测出变频器直流母线电压低于某个值，比如正常1.35倍的交流电压，如果电压再低10%，此时变频器可能发生欠电压报警或故障，欠压故障间接反映的变频器系统输入侧可能出现了问题，欠压保护的功能是防止变频器直流母线电压过低时，输出功率受限，功率器件的工作特性发生变化，控制电压异常，防止变频器硬件出现损坏。
24.输入侧过流保护通常变频器的输出电流超过变频器的额定输出电流某个限制值，通常与igbt功率器件选型设计有关，按变频器不同功率段而设定不同保护限值。
25.变频器输入缺相：在变频器自身的输入缺相检测一般不直接测量，通过直流母线电压的纹波进行判断，当变频器负载运行，如果变频器输入缺相发生时，直流母线的纹波加大，导致变频器输入侧的整流二极管负载加重，可能导致整流桥损坏情况。
26.如图3所示，变频器系统自身与变频器系统输入侧故障保护系统对发生故障时，可进行相互的数据确认。具体实施步骤示于图4，流程如下：步骤s401： 变频器系统与变频器系统输入侧故障保护系统均正常运行，相互之间建立通讯联系，交互变频器运行数据与实时检测数据。
27.步骤s402： 对变频器直流母线电压电流进行检测，判断是否异常，没有异常保持检测状态，发生异常时，进一步判断故障位置和故障类型。
28.步骤s403： 针对变频器的直流母线异常，判断是否为进线电源故障，如果是进入步骤s404，对进行电源故障进行保护；如果不是电源故障，进入步骤s405进一步判断故障点与类型。
29.步骤s404： 在进线电源发生时，变频器的供电异常，应采取相应的保护措施，分断故障电源并进行后续操作。
30.步骤s405： 此时通过变频器自身的检测单元，确定变频器内部元器件是否发生故障。
31.步骤s406： 变频器系统输入侧器件故障，则变频器供电异常，且恢复需人工干预，对外报警。
32.步骤s407： 短时故障，可持续检测母线电压电流，并组成短时共直流母线系统，保证变频器系统正常工作，在故障恢复后正常工作。
33.在建立共直流母线系统时可按照图5所示步骤进行，具体步骤如下：步骤s501： 根据变频器系统基础资源表的数据，确定变频器系统直流母线的总容量；直流母线系统作为变频器内部的储能环节，其储能可按公式1计算：pc ＝ udcic
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（1）其中pc 为注入母线电容的功率，ic 为流过母线电容上的电流， udc 为母线电压。在系统正常运行时，变频器的直流母线储能环节已经充分充电，存储能量。
34.步骤s502： 在发生故障时，可能变频器系统基础资源表确定系统储能可维持的系统运行时间，从而确定系统的停机时间。
35.步骤s503：变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元根据变频器系统输入侧故障检测单元的实时监控数据和变频器自检系统，确定变频器系统内出现故障的变频器信息，包括：故障类型、故障变频器台数，确定发生故障的变频器总功率；确定系统是否可以维持正常运行。
36.步骤s504： 变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元确定需要采取的保护动作，
通过变频器系统输入侧故障保护单元对系统进行保护，组成共直流母线系统，并对外报警；保护单元动作，分断不必要的耗能单元，保证系统的保护动作正常实施。
37.步骤s505：故障排除后，恢复变频器系统正常运行，恢复变频器系统输入侧故障保护系统的正常运行。
38.以下结合具体的实施例对变频器系统输入侧故障保护方法进行说明。
39.实施例一：结合图6对单台变频器组成的变频器系统，说明变频器系统输入侧故障保护方法。
40.在发生单台变频器组成的变频器系统输入侧故障时，有按发生故障的位置不同分别可控制接触器km1、km2、km3和km4动作，对变频器进行保护。
41.在确定变频器供电电源故障时，可控制km1动作，来分断变频器与电源的链接，确保整流电路与变频器其他系统的供电安全，不发生因供电事故和导致的变频器损坏；同时可动作接触器km4，保证变频器在停机时的能量储备，因为此时仅仅需要对变频器进行停机操作，同时保存故障时的运行状态，作为后期恢复运行的现场数据储备。
42.在确定整流电路器件故障时，分断接触器km2对系统电源提供保护，不会造成因变频器系统故障导致的电源故障，扩大故障的范围。控制接触器km3动作，保护后续电路的安全，此时需要对外报警，对故障元件进行更护。
43.在直流母线环节故障时，控制接触器km4动作，保证整理与预充电电路的正常运行，同时对外报警。存储故障时的运行参数，为后期系统恢复运行提供基础数据。
44.实施例二：结合图7对多台变频器组成的变频器系统，说明变频器系统输入侧晃电故障保护方法。
45.如图7所示，在多台变频器组成的变频器系统中，变频器系统输入侧故障保护执行单元包括了变频器间的故障保护执行单元，如图7中的接触器kmo1-1到kmo1-n，具体的数量可根据系统的实际需要进行调整。
46.根据变频器系统输入侧的故障类型判断，当发生晃电故障，或称为短时掉电故障，可根据图5所示的步骤，首先确定发生故障的变频器数量。此时可分别确定故障变频器的数量与正常运行的变频器数量。
47.其中变频器系统的总直流储能可按照公式2计算：p总储能=p1+p2+
……
+pn
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(2)其中p总储能为变频器系统的总储能；p1、p2、
……
pn为变频器系统内的各变频器的储能；n为变频器系统内的变频器总数。
48.此时正常运行的变频器可为系统提供正常能量，这时正常的变频器可提供的总能量可按公式3计算：p供能=p正常1+p正常2+
……
+p正常m
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(3)其中p供能为变频器系统的总储能；p正常1、p正常2、
……
p正常m为变频器系统内的各变频器的储能；m为变频器系统内的正常运行的变频器数量。
49.此时，对变频器系统内的故障变频器按实施例1中的方法，分断故障单元，保证变频器系统内各单元均可正常运行。
50.根据公式2与公式3的计算，确定系统能可维持运行的能量，通过kmo1-n的接触器建立满足要求的共直流母线系统，此时的缓冲电路、泄放电路和滤波电路均可按常规方法
选取，在此不做叙述。
51.同时对外报警，保证在系统维持运行的情况下，排除故障并使系统恢复正常运行。此时通过正常工作的变频器整流环节对变频器系统的直流母线环节进行供电，维持变频器系统整体的正常运行。
52.实施例三：结合图7对多台变频器组成的变频器系统，说明变频器系统输入侧断电故障保护方法。
53.当变频器系统发生掉电故障时，变频器系统内各变频器需保证协调关联停机。对变频器系统的停机时间进行确定，根据发生故障的变频器数量，结合变频器系统基础资源表，以及公式2、公式3确定的系统维持能量，根据公式4计算单台变频器停机时需要的能量：w停=p停*t停 ＝ u停i停*t停
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（4）其中，w停为停机需要的能量， p停为停机需要的功率，*t停为停机需要的时间，u停为停机是的变频器供电电压，i停为停机时的供电电流。
54.再根据公式5确定停机需要的总能量：w停总=w停1+w停2+
……
+w停n
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(5)w停总为停机需要的总能量，w停n为各台变频器停机的能量，n为变频器系统内变频器总数。
55.此时按变频器系统输入侧故障保护逻辑控制单元内存储的变频器系统资源表中的数据，每台变频器的停机时间分别进行设定，前提是满足公式5的要求，即变频器系统的总能量满足停机要求。
56.其他操作步骤与前述实施例相同，建立共直流母线系统，分断故障单元，保存系统故障时的运行参数，对外报警，变频器系统恢复运行后，提供运行数据支撑。
57.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个具体实施方式重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
58.以上对本发明所提供的变频器系统输入侧故障保护方法及控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。