陳江洪，王 旭

(上海電氣富士電機電氣技術(shù)有限公司，上海 201199)

0 引言

隨著電氣傳動技術(shù)尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應用。多電平串聯(lián)H橋逆變拓撲是國內(nèi)大部分高壓變頻器廠商采用的主流拓撲結(jié)構(gòu)。該變頻器有很多獨有的特征：模塊化結(jié)構(gòu)，易于降低成本和便于維修；幾乎正弦的輸出波形；旁路功能提高了系統(tǒng)的可靠性；網(wǎng)側(cè)電流接近正弦[1]。

2017年，中國經(jīng)濟企穩(wěn)回升，產(chǎn)業(yè)升級、結(jié)構(gòu)優(yōu)化初見成效，中高壓通用變頻器市場呈現(xiàn)正增長態(tài)勢，同比增長8.5%，呈現(xiàn)自2012年以來首次正增長態(tài)勢。其中市政水利行業(yè)作為中高壓變頻器第二大應用行業(yè)，水生產(chǎn)和供應的固定投資增速明顯，水工業(yè)行業(yè)中高壓變頻器業(yè)績呈現(xiàn)較明顯增幅。該行業(yè)對其設(shè)備運行的穩(wěn)定性、效率和功率因素等都提出了更高的要求，傳統(tǒng)的V/F控制已很難滿足要求。因此，通過高壓變頻器采用矢量技術(shù)控制同步電機，自動調(diào)節(jié)勵磁電流，大幅提高轉(zhuǎn)速的控制精度和響應時間，實現(xiàn)長時間高效的不間斷工作，成為越來越多用戶的首選方案。

在水工業(yè)行業(yè)的泵類應用領(lǐng)域中，通常會采用一臺或多臺高壓變頻器順序驅(qū)動多臺泵的工作方式。當泵依次起動時，需要變頻器具有變頻切工頻，即“同步投入”功能。當某臺工頻運轉(zhuǎn)的泵需要進行出水量調(diào)節(jié)時，即從工頻切變頻，這就需要變頻器具有“飛車起動”功能?！帮w車起動”是指當電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，將變頻器輸出一定大小、一定頻率的電壓加到電動機上起動的過程。如果電動機的反電動勢與變頻器輸出電壓不同步的話，較大的沖擊電流將流過變頻器，使得變頻器主回路器件有燒壞的風險。如何調(diào)節(jié)變頻器輸出使之和電動機反電動勢同步，消除沖擊電流是“飛車起動”的關(guān)鍵技術(shù)。而且對于沒有配置速度傳感器的電機來說，其轉(zhuǎn)子的實際相位更加難以獲取，故高壓變頻器必須采用無傳感器矢量控制才能滿足要求。

1 同步電機無傳感器飛車起動的風險

1.1 電機失磁風險

同步電動機拖動水泵時，同步電機脫離電網(wǎng)，轉(zhuǎn)由高壓變頻器驅(qū)動控制，開始飛車起動。電機的勵磁柜轉(zhuǎn)為變頻器控制。在勵磁轉(zhuǎn)換過程中，需要控制同步電機的失磁風險。所謂失磁，就是電機轉(zhuǎn)子失去直流勵磁電流，使轉(zhuǎn)子磁場消失，這種狀態(tài)即為失磁狀態(tài)[2]。失磁時，轉(zhuǎn)子繞組開路，會產(chǎn)生較大的感應電壓，容易發(fā)生匝間短路、絕緣破壞等故障。同時轉(zhuǎn)子磁場突然衰減，電機將失步運行。雖然電機脫離電網(wǎng)，但定子磁場并不會消失，此時阻尼繞組會產(chǎn)生較大電流，引起阻尼繞組過熱損壞。

1.2 轉(zhuǎn)速推定偏差風險

當高壓變頻器采用一拖多方式驅(qū)動電機時，如果選擇使用速度傳感器，其安裝及切換都比較復雜，同時也增加了用戶的成本。如果不使用速度傳感器，則對電機自由運行時轉(zhuǎn)速推定的精度有很高的要求，因此要求變頻器具有無傳感器矢量控制功能。由電機原理可知，當向電機定子施加交流電壓時，如果定子旋轉(zhuǎn)磁場速度遠大于電機轉(zhuǎn)子的實際速度，電機定子電流會極速上升，可能達到額定電流的5～7倍，引發(fā)變頻器過流故障；如果定子旋轉(zhuǎn)磁場速度小于電機轉(zhuǎn)子的實際速度，此時電機為發(fā)電狀態(tài)，將反向給變頻器充電，引發(fā)變頻器過壓故障。轉(zhuǎn)速推定偏差較大時，極端情況下還會損壞變頻器的主回路器件，引發(fā)更嚴重的后果。

2 同步電機飛車起動控制的關(guān)鍵方法

2.1 電機勵磁控制

在電機脫離電網(wǎng)后，首先進行勵磁控制由DCS到變頻器控制的轉(zhuǎn)換，然后變頻器輸出勵磁控制指令。變頻器控制電機勵磁電流后，變頻器輸出斷路器才能合閘，開始電機轉(zhuǎn)子速度推定。等待推定電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速完成后，變頻器輸出交流電壓，開始驅(qū)動電機，實現(xiàn)電機從工頻到變頻的切換，飛車起動過程結(jié)束。整個轉(zhuǎn)換過程都要保持勵磁電流的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)失磁狀態(tài)，其控制時序如圖1所示。

圖1 同步電機飛車起動時序圖

2.2 同步電機旋轉(zhuǎn)方向判定

變頻器讀取輸出電壓，進行Clark變換，獲得靜態(tài)坐標系下電壓Vα和Vβ，根據(jù)其電壓的極性來判定電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。當Vβ由正變負，下降沿時，如果Vα為正，則電機順時針旋轉(zhuǎn)；當Vβ由負變正，上升沿時，如果Vα為負，則電機順時針旋轉(zhuǎn)。判定方法及時序如圖2～圖3所示。

圖2 同步電機旋轉(zhuǎn)方向判定

圖3 同步電機旋轉(zhuǎn)方向判定時序圖

2.3 同步電機速度推定

電機旋轉(zhuǎn)方向判定完成條件成立后，才能繼續(xù)進行速度推定。由于本項目中電機沒有配置轉(zhuǎn)速傳感器，其轉(zhuǎn)子速度難以直接準確地獲知。因此必須進行速度推定。一般來說，常用的速度推定方法如下：

(1) 檢測電機的輸入電壓，通過調(diào)整電壓的勵磁分量來推定電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

(2) 文獻[3]根據(jù)輸出電壓推定電機的反電動勢，再利用反電動勢與頻率間的關(guān)系來推算電機轉(zhuǎn)速。但電機反電動勢估算轉(zhuǎn)速對電機參數(shù)比較敏感，需要有較高精度的在線參數(shù)辨識方法。

(3) 根據(jù)定子電流幅值來搜索電機轉(zhuǎn)子頻率的控制策略[4]。在飛車起動時，電機轉(zhuǎn)速存在不確定性，對變頻器輸出斷路器合閘時的輸出頻率有較高的要求，可能出現(xiàn)較大的突入電流。

(4) 文獻[5]通過在電機輸入端子處施加一個確定的電壓，根據(jù)輸出電流檢出值估算電機轉(zhuǎn)速。本項目中要求電機脫離電網(wǎng)后，馬上進行飛車起動，轉(zhuǎn)為變頻驅(qū)動。但是電機轉(zhuǎn)速因負載等原因下降的情況無法確認。如果電壓施加的不合適，可能出現(xiàn)過大的沖擊電流，引發(fā)過流故障。

方法(1)在高轉(zhuǎn)速條件下的算法魯棒性較好。在飛車起動過程中，變頻器連接自由運行的電機后，首先讀取電機電壓參數(shù)，進行Clark變換后，得到靜態(tài)坐標系下的Vα和Vβ。然后根據(jù)預推定轉(zhuǎn)子位置角θ，進行Park變換，獲取勵磁電壓分量Vm。然后通過一個PI調(diào)節(jié)器進行自動調(diào)整，修正變頻器的輸出，當輸出Vm接近0時，即可認推定速度與電機轉(zhuǎn)子實際速度一致，速度推定結(jié)束。轉(zhuǎn)子的位置角θ則由轉(zhuǎn)速持續(xù)積分得到。

本項目在進行飛車起動時，電機剛從電網(wǎng)脫離，電機轉(zhuǎn)子處于高速階段。高壓變頻器的輸出斷路器合閘后，變頻器輸出連接電機的電源輸入端，必須防止電機反向?qū)Ω邏鹤冾l器充電，減少功率單元內(nèi)部母線電壓的升高，避免出現(xiàn)過壓故障。因此需要盡可能快速完成電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的推定。

在電機高速運行時，該方法具有良好的動態(tài)性能。速度推定框圖如圖4所示。

圖4 速度推定框圖

3 同步電機飛車起動的項目應用

某水利閘站的排澇工程有5臺同步電動機拖動5臺排水泵。設(shè)置兩套變頻器可在5臺泵組之間分別完成互相切換的功能。具體對應的變頻切換措施如下：#1變頻器在M1、M3、M4電機之間進行切換；#2變頻器在M2、M5電機之間進行切換。其電氣原理圖如圖5～圖6所示。

圖5 #1變頻器一拖三電氣原理圖

圖6 #2變頻器一拖二電氣原理圖

變頻器的工作控制邏輯以#1變頻器為例，如下：

(1) 變頻器根據(jù)上位DCS要求，控制M1勵磁柜輸出勵磁電流，并判定電機轉(zhuǎn)子位置。

(2) 變頻器采用無傳感器矢量控制方式，逐步加大電流和電壓，同時調(diào)整勵磁輸出，將M1電機加速到工頻轉(zhuǎn)速。

(3) 變頻器進入同步投入模式，控制輸出電壓與電網(wǎng)同步，滿足條件后，QF1、KM12自動合閘，KM11自動斷開，勵磁柜脫離變頻器的控制。M1泵切換至工頻運行。

(4) 變頻器重復(1)～(4)，依次將M3、M4泵切換至工頻運行。

(5) 上位PCS檢測到總排水量過大，或者有水泵出現(xiàn)震動時，以M1為例，先斷開QF1、KM12。

(6) 勵磁柜改為由變頻器控制，變頻器輸出勵磁信號后，再閉合KM11。

(7) 變頻器進入飛車起動模式，判定M1電機的旋轉(zhuǎn)方向，并推定其實際旋轉(zhuǎn)速度。

(8) 變頻器完成M1電機的速度推定后，開始輸出電壓和電流，驅(qū)動電機進入變頻控制運行狀態(tài)。

(9) 變頻器根據(jù)上位DCS的要求，將水泵調(diào)整到要求的轉(zhuǎn)速。

為了驗證同步電機無傳感器矢量控制飛車起動的方法的有效性，在該項目投入運行前，進行了實機驗證。整個飛車起動過程中，勵磁電流、電機電壓的波動都比較小，沒有引發(fā)電機過流和單元過壓故障，證明該飛車起動控制方法是有效的。

4 結(jié)語

水生產(chǎn)和供應的固定資產(chǎn)投資連續(xù)5年高速增長，從而帶來該行業(yè)應用對高壓變頻器的需求也同步增加。某水利閘站使用了同步電機無傳感器飛車起動功能，設(shè)備運行安全可靠，也取得了部分節(jié)能的效果。該項目具有可復制性，在類似應用中可廣泛推廣，為市政建設(shè)提供了更好的服務。