变频器高压电源瞬时失电连续运行研究

1、变频器高压电源瞬时失电连续运行研究李凯 白德芳 刘爽哈尔滨九洲电气股份有限公司摘要：高压变频调速系统现场应用复杂，工艺多样。在重要的大型工业系统中，高压电源系统有双备用，紧急互投等功能，当变频器对大功率的电机供电时，如果高压电源进行切换，将出现0.1 s1.5 s左右的失电间隔，要求变频器在失电间隔中能正常工作，且转速波动较小，达到系统在失电期间不出现剧烈振荡。对于多电平单元串联电压源型变频器，当通过对功率单元电容值的加大，PWM输出占空比减小的方法提高失电连续运行性能，其效果均不理想。在经过大量论证后，采用特殊的DSP控制逻辑，并利用旋转系统中的飞轮动能转换，取得实现变频器在高压瞬时失电时保

2、持稳定运行。关键词：高压变频器 瞬时失电 飞轮动能Study of Disquisition of Consecutive Function in High Voltage Source InstantaneousVoltage Disappear of High Voltage ConverterLi Kai Bai Defang Liu ShuangAbstract：high voltage frequency inverter system application is complexity on work place, diversiform manipulative techniqu

3、e . In important large industry system , high voltage power source system is provided with two standby and peremptorily mutual switch much capability. Then frequency inverter equipment supply high power electromotor energy source , if high voltage energy source come forth mutual switch, that engende

4、r zero point one to one point five second of electric source disappear litter, need frequency inverter equipment can normally work time slot, moreover speed fluctuate less, achieve system not acutely surge betwixt electric source disappear of time. Toward frequency inverter equipment of voltage sour

5、ce of cell mid series of multi-level voltage, can pass toward increase capacitance element capability of power cell , PWM output minis take/leisure scale of method boost，but outcome all not perfect. Pass much demonstrate course, that applications especial DSP Boolean calculation, also being flywheel

6、 kinetic energy conversion by turning system., can carry out frequency inverter equipment persistence stably operate in time of high voltage source disappear.Keywords：The frequency inverter equipment of high voltage moment voltage disappear flywheel kinetic energy1 引言进入21世纪以来，随着世界经济的复苏，国内经济的发展，国际上的各

7、种能源价格不断上涨，国内的能源价格也同步上涨。在能源成本的压力下，国内的企业开始大量应用各种节能降耗设备。在大型工业系统中，用变频器带动电动机的应用越来越广泛，容量越来越大，关联系统越来越多，要求的等级越来越高，对变频器相应的性能要求随之越来越严。在大型的风机拖动中，风机叶轮与电机转子的质量加起来均达到上千kg以上，造成在系统中回转部分的转动惯量极大，高速时储存的飞轮动能极多，风机的启动时间长、电流大属于对回转体系统中飞轮动能的储存过程。当风机在高速运行时，电机断电停止后，由于其回转系统中储存飞轮动能在阻力下慢慢损耗，风机转速只会缓慢下降。只有当全部飞轮动能损耗完毕后，风机才能完全停止，故而大

8、型风机自由停车的时间都很长，且在停止过程中转速下降较慢。当在高压电源系统出现问题时，进行重合闸，互相投切时，由于高压电网的灭弧，消磁等因素，都会出现0.11.5 s左右的失电间隔。风机等负荷由于自身的飞轮动能支持下，转速变化不大，使电机具备直接加电的条件。故在高压系统瞬间失电时大容量高压电机的高压电开关均保持在合闸位置，在电源恢复时，由于电机转速仍然很高，电机上电时冲击电流很小，不会造成电网波动，能够保持系统的连续运行。当变频器在瞬时失电时不能维持连续运行，不但会造成高压电机出现瞬时失电时停止运行，且与原工艺要求相抵触。那么在需要一个工作区的时间内动力部分不能停止的大型系统中将无法使用变频器，

9、而国内节能潜力最大的部分就包含在其中，故对老系统的大型电机进行变频改造时，将要求变频器具有瞬时失电而能连续运行的功能。大功率高压变频器具有在瞬时失电而保持连续运行的功能要求，已经是高压变频器在在大型系统中运行的必然要求。2 大功率高压变频器瞬时失电连续运行的原理性研究2.1 实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行的研发流程1）多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行可行性分析；2）制定多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行研发方案；3）制作变频器瞬时失电连续运行实验系统；4）进行变频器瞬时失电连续运行实验，并对结果进行分析，确定方案效果；5）根据实验数据、进行研发方案的进一

10、步改进；6）实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行功能；7）重载测试通过并进行验收；8）现场实际运行。2.2 电机系统中转子回路飞轮动能利用的数学计算分析1）飞轮结构。飞轮结构形状本由轮缘A、轮毂B、轮辐C组成，对于不同的回转物体，都可以转化为英雄模基本模型进行计算，其外形如图1所示。图1 飞轮结构图2）飞轮惯量计算。在工程计算中，采用近似值方法：式中：为飞轮矩； 为轮缘的质量。3）转子回路中飞轮动能的计算。最大盈亏功：指驱动功与阻抗功之差的最大值。式中：为轴心惯量；为飞轮惯量；为运行时最大角速度；为运行时最小角速度；为速度波动系数；为角速度变化值。4）飞轮系统的各参数之间的关系。当

11、飞轮较大，飞轮惯量JF值就很大，在消耗一定的盈亏功Wmax与角频率变化值m数值不大时，波动也很小。 由于飞轮惯量JF值是定值，在消耗盈亏功Wmax比较大时，m数值较大，波动也很大。当盈亏功Wmax和波动一定时，飞轮惯量JF值与角频率变化值m平方成反比。2.3 深入剖析多电平单元串联电压源型变频器的结构1）多电平单元串联电压源型变频器的主回路拓朴。其示意图如图2所示。图2 多电平单元串联电压源型变频器主回路2）主回路工作原理。高压电源首先供给移相变压器主绕组，在移相变压器副边有18个相互独立的绕组，其按延边三角形的绕法，实现每个10°的移相的组别，用于分别给18个功率单元供电，18个根

12、据组别组成A，B，C 3组，串联成为星形连接结构方式输出频率可调的正弦波，供给高压电动机运行与调速使用。3）功率单元内部结构。多电平单元串联电压源型变频器的所有功率单元都是相同的，其原理如图3所示。图3 功率单元电气回路原理图4）功率单元工作原理。每一个单元相当于一个小功率低压变频器，由整流输入二极管桥，储能电容，H桥形输出斩波IGBT组成。三相交流电源通过功率单元内整流二极管桥进行整流后，将其输入电容阵列，电容阵列对脉动的直流进行滤波，使其变为恒定的直流电。电容阵列同时作为PWM输出的电压能量中继池，提供给输出回路稳定的电压与脉动驱动电流。H桥形IGBT回路将电容阵列的直流电压转换为PWM波

13、形电压输出。2.4 在原理上实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行的方法1）在原理实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行的可行性。在瞬时失电时高压变频系统的状态与分析。在瞬时失电时，高压变频器处于运行状态，此时输入侧高压电源消失，输出测连接正在运行的大型异步电动机，电动机连接有大型拖动设备。 此时，多电平单元串联电压源型变频器的输入侧变频器电压消失，从高压变频器到电动机的电压由功率单元内的电容维持，并保持电动机的励磁。失电后变频器内部电气运行状态。多电平单元串联电压源型变频器的波形输出，是由每个功率单元从内部的电容阵列的能源中继池，通过H桥变换为PWM波输出。功率单元输入整

14、流变换在瞬时可以视为用于给电容阵列进行电能补充的回路。当电源失电时，相当于将电容充电回路中的整流电源失电，由于三相二极管整流器的不可逆性，相当于整流回路已关闭或切除，不再给电容阵列补充电量。电容的电压变化将由H桥的PWM工作状态所确定。2）在瞬时失电后变频器的等效状态。对于多电平单元串联电压源型变频器在电源失电后，对于变频器的变频系统来说，相当于将图中阴影部分的回路已切除的变频器。如图3所示，这时变频器可以将电容阵列等效为一个电池组，在瞬时失电开始时，整个变频系统等效为一个用电池组供电，电池组电压处于额定状态，输出正弦电压波形对电动机进行励磁运行。图4 多电平单元串联电压源型变频器单元串联电气

15、图3）在原理实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行的方法。通过上述分析，即然失电后多电平单元串联电压源型变频器在失电期间将可以等同为一个由电池进行供电运行的变频器。若能保证电容电压的稳定，那么就能实现在失电时变频器的连续运行。2.5 实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行关键实现多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行关键就是：“在多电平单元串联电压源型变频器在运行中高压电源瞬时失电期间，保持功率单元内电容阵列电压的稳定，就可以保持变频器连续运行。”3 多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行研发方案3.1 技术的主攻方向1）首先解决在失电时，功率单元内主控板的电源

16、供给。2）在瞬时失电时，高压变频器对于高压电源状态的采集。3）多电平单元串联电压源型变频器属于交-直-交类型的变频器，由其拓朴结构决定其分为输入变流，储能稳压，变换输入3部分结构，在变频器失电时，仅有储能稳压，变换输出结构在运行，故在检测单元内运行各量值的要求作出相应的设定调整。4）解决变频在失电时，功率单元电容阵列电压的稳定。保持其电压波动在额定值75%以内波动。5）解决在变频器失电时，主回路元件的能量损耗。通过严密的逻辑分析，精确的计算，将H桥的PWM波形输出改变，使电机运行于能量回馈的状态，使转子回路中的飞轮动能受控转换为电容阵列的电能，补充主回路元件的消耗与电容阵列电压的稳定。3.2

17、多电平单元串联电压源型变频器失电后连续运行的几种实现方法1）加大电容储电量。此方法需增加电容，将涉及到一系列元件的更改，且增加成本过多，不宜采用。2）在失电时，减少轴功率输出。在失电时，通过速度调节，使电机轴功率输出减少，维持电机运行的有功电流将减少，保持住在3 s时间内电容电压，其方法简便可行，作为首选方案。3）在失电时，利用特殊的DSP程序，驱动H桥的PWM输出回路，使电机转子回路中飞轮动能转换为电能。能够在失电时保证电容阵列电压的稳定，但工作量大，更改项目多，测试环节多，控制要求严，作为后备方案。3.3 多电平单元串联电压源型变频器的主控板供电回路研发1）更改前功率单元主控板供电。多电平

18、单元串联电压源型变频器工作时，每一个功率单元都处于一个独立的电平上，必须保证其与其它回路相互隔离，功率单元内主控板的电源从移相变压器二次侧供应，主回路的电源与控制回路的电源从移相变压器的一个副边绕组取出，达到功率单元相互的电气隔离要求。但是在这种结构中，当高压回路失电后，主控板的电源也随之消失，将直接造成功率单元的主控板失电停止工作，无法达到高压电源短时失电时主控板保持正常工作的要求。2）更改后功率单元主控板供电。在外部加一个不间断电源（UPS）作为供电电源。用一个小型的副边相互隔离的多绕组变压器，分别为每个功率单元的主控板供电。当高压电源失电后，功率单元在主回路失电的情况下，主控板的电源从U

19、PS经过隔离变压器正常供给，使主供板电源处于正常供应状态，能够对功率单元的器件的状态进行控制，并通过光纤将功率单元的运行状态发送至控制单元，并同时从控制单元接收调整指令，对功率单元工作状态进行调整。从而具备的多电平单元串联电压源型变频器在高压电源失电后连续运行的初始条件。3.4 多电平单元串联电压源型变频器高压回路失电试验系统的设计1）试验回路的设计原则。在进行高压失电变频器连续运行试验回路中，由于试验会出现多次的高压合闸与分闸，其包括在试验中的大电流，时间不可控的跳闸，为防止在电感回路中多次合闸对移相变压器的电流冲击，电压冲击所产生的热冲击与机械冲击对移相变压器绝缘的损毁，故在主回路中由KM

20、1，MD2，R1组成了一个高压加电软启动回路。从而能在多次失电试验中，消除反复的上电冲击对变压器绕组造成的损害，并可以在短时间内进行多次合闸试验。2）多电平单元串联电压源型变频器瞬间失电的试验操作方案。将变频器的控制系统，高压系统正常加电，并启动变频器，带动一台三相异步电动机在调速状态下空载运行。KM1保持在接通状态，KM2处于断开状态。移相变压器由KM1供电，隔离变压器由2 kW的不间断电源（UPS）供电。根据试验要求设定高压回路瞬时失电步骤，在失电指令发出时，控制系统将KM1断开，此时KM1和KM2均处于断开位置则变频器高压输入消失，功率单元主回路系统失电。功率单元的控制系统电源由UPS通

21、过隔离变压器保持正常供应。此时，整个高压变频系统即处于高压失电的状态。在变频器处于高压失电状态后，对多电平单元串联电压源型变频器的各工作状态进行采集，控制单元对其进行录波。观察电动机的电压，电流，转速的变化。变频器的报警，故障，保护，跳闸的动作时间，将其作为试验数据进行记录。当变频器达到预定失电时间后，其仍在运行，没有发出高压跳闸保护指令，则将KM2合上，此时由KM2与R1形成对移相变压器进行软加电回路。R1电阻选用为5，使得630 kW/6 kV的移相变压器在加电励磁时，其劢磁瞬间浪涌电流尖峰绝对值小于600 A。当变频器试验回路进行高频率，多次反复试验和测试时，其高压电源的反复加电不会对移

22、相变压器造成永久性的损伤和影响高压电网系统的稳定性。当KM2合上3 s后，将KM1合上，将R1回路短连。随后将KM2断开，变频器的移相变压器软加电过程结束，高压电源从主回路加入，变频器处于正常运行状态。多电平单元串联电压源型变频器进行一次高压侧瞬间失电试验的基本步骤，其操作是由PLC自动完成，其失电时间能够进行设定。从安全和可操作性考虑，KM1和KM2的操作设有手动操作与自动操作双回路系统，手动操作的权限高于自动操作。3）用隔离变压器对功率单元内主控板进行供电，设计完成后总体回路结构如图5所示。 图5 变频器瞬间失电连续运行试验系统回路示意图4）每次试验后的数据采集。每次试验后，均采集以下数据

23、作为研发进程的依据：试验频率；试验序号；失电保持时间；从失电开始到报出欠压报警时间；从失电开始到报出故障报警时间；变频器报出故障时的电机转速；高压变频器的主要故障。4 多电平单元串联电压源型变频器瞬时失电连续运行的研发进程4.1 多电平单元串联电压源型变频器用于瞬时失电连续运行试验系统的数据1）变频器和电机的参数。电动机的参数为：型号YRNT500-6，额定功率500 kW，额定电压6000 V，额定电流56 A，额定频率50 Hz，额定转速986 r/min。变频器参数设定为：加速时间30 s，减速时间或300 s,电容欠压报警值75%，额定电流56 A。2）高压失电后变频器多电平单元串联电

24、压源型变频器报警动作次序。刚刚失电时状态。单元主回路断电后，控制板在外部隔离变压器下正常工作，并驱动输出回路的正常工作。此时，单元内部的电容阵列如电池组一样对电机以运行电流的速率供电。同时控制单元采集电容的电压值通过光纤送到控制单元。发出欠压报警状态。在持继维持电量的输出，电容阵列的电压不断下降，当电容阵列电压降到75%设定值时，控制单元收到功率单元的电容电压数值信息，依据预定的逻辑，发出电压过低警告，但变频器依然保持运行。发出故障信号时状态。在连续运行使电容电压降至35%时，功率单元内保护回路启动，自动封锁输出回路，并发送控制单元故障信号，控制单元接收到信号后，发出系统停止，高压跳闸指令。3

25、）根据多电平单元串联电压源型变频器的参数，进行高压电源失电时维持运行时间。电容阵列中的电容型号。单只电容量4700 F，额定电压400 V。用9只电容进行3串3并，总容量4700 F，电压1200 V。正常工作时电容阵列的电压。功率单元电压输入三相600 V交流电，通过三相二极管整流桥变换为直流电供给电容阵列，则电容阵列运行时电压为 U=1.35×600=810 V正常工作时电容阵列的储电量为Q=UC=810×4700/1000000 = 3.807 C式中：Q为电容存储电量；U为电容工作电压；C为电容容量。试验电动机的有功与无功比值。变频器输PWM波叠加成的正弦波进行驱动

26、电机,在电机空转的情况下,相当于其主要是转子轴承阻力的损耗，相当于驱动一个大电感,其有功消耗很少,利用移相变压器高功率因数的吸收电流与电机驱动的视在电流为依据，按照近似性原则计算得出:S=7.2/0.9=8式中：S为无功与有功比值。在50 Hz状态下,根据数学模型得出：电容全部放电的时间为T=S×Q/I= 8×3.807/7.2 =4.23 s出现欠压报警的时间为4.23×(176% )=1.01 s出现故障的报警时间为4.23×(135% )=2.74 s4.2 多电平单元串联电压源型变频器在失电试验系统中的首次失电试验1）变频器在50 Hz运行时进行

27、失电试验。变频器带动电机运转时的运行参数为：输出频率50 Hz，输出电压5935 V，电机电流7.2 A，电机转速998 r/min，电源电压6120 V，电源电流0.9 A。在变频器50Hz运行的状态下，断开KM1高压开关，试验数据如表1。表1 50Hz运行状态失电试验数据序号失电保持/s欠压报警/s故障输出/s电机转速/r·min-1主要故障1601.23.4641电压过低停止运行251.13.6902电压过低停止运行331.23.3950电压过低停止运行421.2无995电容电压低警告51无无998无报警2）变频器在40 Hz输出时进行失电试验。变频器带动电机运转时的运行参数为

28、：输出频率40 Hz，输出电压4184 V，电机电流6.6 A，电机转速797 r/min，电源电压6120 V，电源电流0.9 A。在变频器40 Hz运行的状态下，断开KM1高压开关，试验数据如表2。3）变频器在30Hz输出时进行失电试验变频器带动电机运转时的运行参数为：输出频率40 Hz，输出电压2715 V，电机电流5.9 A，电机转速592 r/min，电源电压6120 V，电源电流0.8 A。在变频器30 Hz运行的状态下，断开KM1高压开关，试验数据如表3。表2 40 Hz运行状态失电试验数据序号失电保持/s欠压报警/s故障输出/s电机转速/r·min-1主要故障1601

29、.33.8330电压过低停止运行251.43.9760电压过低停止运行321.3无793电容电压低警告41无无797无报警表3 30 Hz运行状态失电试验数据序号失电保持/s欠压报警/s故障输出/s电机转速/r·min-1主要故障1601.54.1s140电压过低停止运行251.64.2s580电压过低停止运行331.6无588电容电压低警告421.6无589电容电压低警告51.5无无592无报警4）变频器高压失电后的维持时间。从表1表3中的3种频率状态下进行电机的失电测试数据汇总。在不同的频率下，电机的输入励磁电流不同，这时其欠压报警的时间也不同，其变化曲线如图6所示。图6 变频器

30、失电报警曲线从测试数据和图6中的规律曲线，变频器在高压失电后，其输出电流越低，电容阵列电压下降越慢，则失电时连续运行的维持时间越长。5）多电平单元串联电压源型变频器失电运行时数据模型实际测量值对比结论。数据对比。在实际中，50 Hz状态下，进行失电试验时，欠压报警时间为1.2 s，故障时间为3.4 s。计算的欠压报警时间1.0 s，故障时间2.74 s。计算出的时间要少于实际测量的时间。计算时间小于实际测试时间的原因分析。计算是处于理想状态下进行的，当失电后，电容输入立刻中止，只向外输出。而在实际测试中，由于回路在电感的存在，在高压开关进行断开时，电容不会立刻停止输入，而由于开关灭弧，移相变压

31、器消磁等原因，会出现一个小的延时对电容继续充电，从而造成实际测量的值要比理论计算的值高一些。4.3 当变频器瞬时失电状态时，减少电机轴功率的输出的技术研发1）对多电平单元串联电压源型变频器接口映射的分析。判断系统是否处于瞬间失电状态。瞬间失电状态，是对应于高压回路出现异常状况时，高压电源系纺进行保护或切换等操作，造成高压电源短时消失后恢复的一种现象。对应于一个变频系统来讲，其映射到端口的映像为：“多电平单元串联电压源型变频器运行时，变频器输入高压开关保持合闸位置，高压输入电源短时消失后重新恢复的过程”。变频器在瞬间失电期间减少电机输出轴功率的原理。在多电平单元串联电压源型变频器处于失电状态时，

32、降低变频器的输出频率，将能降低电机转速，即可以减少电机的输出轴功率。根椐此原理，在判定变频器处于瞬时失电状态时，将程序转入降速运行子模块。2）对控制系统回路更改的要点。在移相变压器的副绕组回路上，加入一个电压检测继电器，当移相变压器失电时，继电器发出一个开关量信号送到控制单元。在控制单元上，将一个备用的状态输入采集端口激活，用于检测移相变压器的供电状态，当节点信号为0时，即判定移相变压器处于失电状态。将移相变压器失电状态量与高压开关接通状态量在一起进行判断，当出现在高压开关在接通状态时，而移相变压器出现失电状态量，就判定为变频器处于高压电源瞬时失电的状态中。瞬时失电状态中，变频器控制系统将变频

33、器输出频率设定为下降状态，当移相变压器重新加电后，恢复到保持状态。DSP内程序中加入的失电控制子模块流程图如图7所示。图7 失电时频率调节流程图3）对减少电机输出轴功率改造后进行失电试验时的操作方案。设定失电后频率下降的速率。多电平单元串联电压源型变频器在模拟状态下，用手动给出失电信号到控制单元，校核变频器的控制操作是否按预期进行。在模拟状态测试全部通过后，投入高压电源，在运行状态下进行高压电源瞬时失电时变频器连续运行试验。根据试验的各项目，按计划进行试验，并将数据汇总。4.4 对多电平单元串联电压源型变频器失电后减少电机轴功率输出方案的试验1）变频器在50Hz输出时进行失电试验。试验参数设定

34、为：运行频率50 Hz，上升时间30 s，测试时间5 s，下降时间预设300 s，电源电压6120，电源电流0.9 A。在变频器正常50 Hz运行的状态下，进行失电测试，如表4。2）变频器在30 Hz输出时进行失电试验。试验参数设定为：运行频率30 Hz，上升时间30 s，测试时间5 s，下降时间预设300 s，电源电压6120 V，电源电流0.8 A。在变频器正常30 Hz运行的状态下，进行失电测试，如表5。3）根据数据总结改变下降速率对变频器在失电状态运行时不同现象。在下降速率在50 s以上时，变频器的失电结果变化不大，与未更改时测试值相似。表4 50Hz运行状态新DSP程序失电试验数据序

35、号失电保持/s欠压报警/s故障输出/s电机转速/r·min-1主要故障13001.23.4900电压 过低停止运行22001.33.6899电压过低停止运行31001.64.2901电压过低停止运行4502.15.1895电容电压低警告525无2.3787电容电压过高封锁6403.4无880电容电压低警告735无无866无表5 30 Hz运行状态新DSP程序失电试验数据序号失电保持/s欠压报警/s故障输出/s电机转速/r·min-1主要故障13001.54.4581电压过低停止运行22001.44.6577电压过低停止运行31001.54.8576电压过低停止运行4502.

36、无568电容电压低警告525无4.3s512电容电压过高封锁640无无540无当下降速率小于25 s以下时，变频器在50 Hz和30 Hz都出电容电压过高当下降速率是35 s时，在多电平单元串联电压源型变频器输出50 Hz频率拖动电动机运行状态下进行测试时，高压电源5 s的失电时间，变频系统保持正常运行。当下降速率是40 s时，在30 Hz 频率拖动电动机运行状态下，高压电源失电5 s的时间间隔，变频系统保持正常运行。4）对失电时减少电机输出轴功率测试中的现象进行原理分析。保持5 s正常运行的分析。在失电后，变频器频率按照设定的速率下降，当下降的速率与电机自由转动下降的速率一致时，那么电机侧输

37、入有功为零，在电机绕组中只存在无功电流，此时，电容阵列的能量将不用于拖动电机，只用于进行无功交换，将会保持电容电压的稳定。出现高压过高封锁的原因分析。当设定的下降速率快于电机自由运转下降的速率后，当变频器输出频率小于电机转子内的磁场转动频率时，那么电动机将从输出耗能状态转变为再生发电状态，对电机进行充电，当电容充电电压高于预设电压时，为保护电容阵列内电容的安全，将立即停止变频器的运行，并报出电容电压过高的故障，这就是通常所说的“电容泵升”现象。出现电压过低现象分析。当设定的下降速率慢于电机自由运转下降的速率后，其电容阵列击需不断为电提供有功电量维持运转，使电容阵列电压不断下降，当降到电容阵列阈

38、值后，即报出电压过低的故障。5）采用失电后减少电机输出轴功率方案的不足。在试验数据分析中看出，此方案要求在失电时的设定下降速率与电机自由下降速率一致方能维持继续运行，若不一致，将出现各种故障。在实际运行中，电机的负荷是动态变化的，若靠预先设定下降速率来进行失电时连续运行是不现实的，同时也是不安全的，具有不确定性因素。6）进一步研发的方向。通过前一阶段的研发，对于变频器失电时连续运行已取得了一定的进展，根据高压设备对运行稳定性和安全性的要求，在总结前一研发的成果基础上，以电容稳定为研发关键点，采用飞轮动能转换的方法，使变频器在失电时对电容电压的控制由被动式转换为主动式，具有动态调节的功能。4.5

39、 电机系统中转子回路飞轮动能利用的行为模型描述1）变频器失电后电机转子飞轮动能转化为电能的原理.异步电机运行原理。异步电机分为定子与转子，在定子绕组加入交流电后，就在定子上形成一个环形旋转磁场。转子绕组通过电磁感应出转子电流，并形成相应的转子旋转磁场。定子旋转磁场与转子旋转磁场的速度相对不同，将决定电机是处于异步电动机工作状态还是异步再生发电机工作状态。电机处于异步电动机工作状态。当电机的定子旋转磁场的速度快于转子旋转磁场速度时，电机将定子绕组的电能转化为转子的机械能输出，此时电机即处于电动机工作状态。电机处于再生异步发电机工作状态。当电机定子的旋转磁场速度慢于转子旋转磁场速度时，电机将转子内

40、的机械能转化为定子的电能进行输出，此时电机即处于再生发电机工作状态。转子飞轮动能的利用。当电机定子用变频器供电时，将定子输入频率降低，而转子回路由回转系统内的飞轮动能维持旋转，当变频器输出频率已低于转子的同频转速后，此时转子回路的旋转磁场的速度将大于定子旋转磁场，从而电机将回转系统存储的飞轮动能转化为定子的电能。2）变频器失电后利用转子飞轮动能的流程描述。对变频器失电时状态确定后初步调整。在变频器的失电信号确定，立即减少变频器对电机的PWM输出占空比，使变频器对电机的电流迅速降低，使电容阵列电压不会快速下降。变频器失电后，电机转差频率调节。在变频器失电后，先快速调节变频器的运行频率，使其在短时

41、间内下降到电机现有转速的同步频率，为下一步调节作好准备。在变频器输出频率下降状态时，转换电机的运行状态。在变频器进行频率调整时，当测定电机电流方向变化时，表明已下降到同步转速以下，将频率从快速下降状态调节为PID控制状态，动态调节频率下降速率，将电机从异步电动机的运行状态转变为异步再生发电机的状态，将电机转子在存储的飞轮动能转变为电能。变频器失电期间，保持功率单元内电压的稳定。在变频器失电期间，保持电机再生异步发电机状态运行，转子中的飞轮动能转换为电能维持系统的消耗。将电容阵列电压作为关键进程点，通过对变频器输出频率下降的速率调节，使电容阵列电压保持在额定状态。变频器高压电源恢复，稳定电机运行

42、。在变频器高压电源正常信号确定后，将变频器输出频率快速向上调节，当测定电流方向变化时，稳定频率输出延时，防止系统振荡。当电机完全转入异步电动机运行状态后，再将频率升到失电前的数值。3）DSP程序中变频器失电后利用转子动能的DSP程序子模块流程图。根据变频器失电利用飞轮动能的描述，将其转化为DSP程序中的子模块，其流程图如图8所示。图8 变频器失电连续运行子模块流程图4.6 多电平单元串联电压源型变频器失电后利用飞轮动能连续运行试验1）更改后的系统回路方案。在控制系统顶层供电回路中加入UPS，用于在任何状态下，保持控制电源供电稳定。在顶层供电回路下，分出一组供给6 kV多组隔离变压器，用于给控制

43、单元内的控制板电源，在高压失电后，控制板能继续保持运行。在主回路的移相变压器上增加电压检测继电器，用于测定移相变压器是否处于加电状态，并将其状态信号传到控制单元。2）更改后的控制流程方案。失电后，控制系统接收到失电信号，立即快速下调，越过电机在异频运行的转差率，将电机处于再生异步运行状态。将转子中的飞轮动能转化为电能用于维持变频器主回路的功耗，通过多电平功率单元内的电容阵列作为储能中继池进行电量存储和维持变频器系统的损耗。在失电的时间内，将电容阵列处于恒压充电状态，用电容阵列的电压值作为变频器输出频率的闭环调节单位，使飞轮动能的转化与系统损耗持平，电容阵列电压稳定。高压电源恢复后，控制系统接到

44、电源正常信号，将变频器由下降速率调节变为上升速率调节，恢复电机的电动机运行状态，其转换设定呈双曲线设定，避免在电机状态转换时出现惯量载荷冲击。将变频器输出频率按设定的速率上升，达到失电前的频率，系统恢复到失电前的状态。3）变频器失电后利用飞轮动能的方案试验参数为：运行频率50 Hz，电源电流0.9 A，上升时间30 s，下降时间300 s，失电下降30 s，恢复上升60 s，电源电压6100 V，恢复转换3 s。4）变频器失电后利用飞轮动能方案的测试数据如表6。表6 技术定型的失电试验数据序号失电时间/s欠压报警/s故障输出/s恢复时转速/r·min-1主要故障11无无997无22无

45、无992无35无无850无420无无730无540无无512无660无无210无7120无680失电时间过长停止4.7 多电平单元串联电压源型变频器高压瞬时失电连续运行技术方案定型1）高压瞬时失电连续运行研发结束定型方案。变频器瞬时失电后利用飞轮动能的方案经过测试，达到项目输入时的要求，作为高压瞬时失电连续运行定型方案。2）高压瞬时失电连续运行定型方案指标如下。具有在变频系统运行时，高压电源在瞬时消失时，保持变频器不跳闸。具有在变频器高压电源失电后，可以利用转子系统内的飞轮动能连续保持运行。具有在大惯量，大功率，大系统中的广泛应用前景，能实现在大系统中瞬时失电后而动力输入系统不出现极大的振动或崩溃。在转子内飞轮动能支持下，可以实现短时间内不停机，在失电运行的时间将取决于回转系统中的飞轮动能存储量，在一个具体系统中，当转子回路的质量与转速固定时，对失电最高维持时间具有了确定性。在长时间失电