1 引言 在高壓變頻器的應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合都要用到“飛車(chē)啟動(dòng)”的功能?！帮w車(chē)啟動(dòng)”通俗的講，也就是轉(zhuǎn)速跟蹤。也就是說(shuō)對(duì)旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)實(shí)施再啟動(dòng)。如： （1） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小的場(chǎng)合。典型負(fù)載如風(fēng)機(jī)，它的機(jī)械慣性比較小，輕微的自然風(fēng)就可能使其自然旋轉(zhuǎn)，而對(duì)于無(wú)此功能的變頻器，要投入運(yùn)行，可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，必須等待電機(jī)完全靜止后再啟動(dòng)，而這勢(shì)必會(huì)耽誤調(diào)試或生產(chǎn)時(shí)間。 （2） 對(duì)于一個(gè)風(fēng)道采用兩個(gè)風(fēng)機(jī)引風(fēng)的場(chǎng)合，在停止一臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，另一臺(tái)也會(huì)拖動(dòng)停止的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，要想停下勢(shì)必要兩臺(tái)風(fēng)機(jī)都停下，這樣就比較麻煩。 （3） 對(duì)于一拖多的場(chǎng)合，當(dāng)然這種場(chǎng)合可能較少，有時(shí)會(huì)用到變頻轉(zhuǎn)工頻、工頻轉(zhuǎn)變頻的場(chǎng)合，也需要檢測(cè)轉(zhuǎn)速，實(shí)施跟蹤控制。 （4） “星點(diǎn)漂移”功能是在高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)其中一個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，由于具有單元旁路功能，可暫時(shí)旁路而降額運(yùn)行，但損壞單元的這一相勢(shì)必電壓降低，與其他兩相電壓不平衡，造成電機(jī)端電流不平衡，不能長(zhǎng)期運(yùn)行。 因此“飛車(chē)啟動(dòng)”和“星點(diǎn)漂移”功能在變頻器的安裝、調(diào)試及工業(yè)生產(chǎn)中有著比較重要的意義，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、科研的不斷深化，這兩項(xiàng)功能正逐步應(yīng)用到變頻器實(shí)踐中，形成了高壓變頻器的一個(gè)特色。 2 “飛車(chē)啟動(dòng)”的原理及難點(diǎn) 高壓變頻器“飛車(chē)啟動(dòng)”是在電機(jī)定子與變頻器或工頻電網(wǎng)都脫離時(shí)，電機(jī)定子“無(wú)源”,電機(jī)轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，但轉(zhuǎn)速隨機(jī)不確知情況下，將高壓變頻器接入電機(jī)定子，使電機(jī)定子從“無(wú)源”到“有源”，電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從無(wú)到有，最后電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入正常驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。 由電機(jī)原理知，當(dāng)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相差較大即轉(zhuǎn)差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電流而電磁轉(zhuǎn)矩卻不大，例如電機(jī)在工頻下全壓直接起動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子電流會(huì)達(dá)到額定值的5～7倍。而高壓變頻器容量一般不可能按電機(jī)電流額定值的5～7倍選配。如果高壓變頻器“飛車(chē)啟動(dòng)”時(shí)輸出頻率較高（50Hz），而電機(jī)轉(zhuǎn)子速度很慢時(shí)就與此類(lèi)似，必過(guò)流跳閘。反之如果高壓變頻器“飛車(chē)啟動(dòng)”時(shí)輸出頻率較低，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度低于電機(jī)轉(zhuǎn)子速度，此時(shí)電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)子將向定子側(cè)反送能量給變頻器電容充電，使變頻器因電容電壓泵升過(guò)壓而跳閘。 因此，高壓變頻器“飛車(chē)啟動(dòng)”是否成功的關(guān)鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率是隨機(jī)的,為此必須進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率的搜索,即“飛車(chē)啟動(dòng)”開(kāi)始先搜索電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率,搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率后,變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子頻率作為輸出頻率。這樣,既不會(huì)出現(xiàn)過(guò)流也不會(huì)出現(xiàn)電容電壓泵升過(guò)壓的現(xiàn)象。 [b]3 實(shí)現(xiàn)的方法 3.1 轉(zhuǎn)子頻率的搜索有兩種方法[/b] 對(duì)無(wú)速度傳感器的v/f控制方式，西門(mén)子變頻器使用手冊(cè)提到轉(zhuǎn)子頻率的搜索有兩種方法： （1） 一種可稱(chēng)之為“定子輸入恒定額定電流的v/f曲線(xiàn)電壓比較法”，搜索時(shí)始終保持定子為恒定額定電流，比較變頻器輸出電壓與v/f曲線(xiàn)上的電壓值，二者相等時(shí)意味此時(shí)的輸出頻率就是轉(zhuǎn)子頻率。 （2） 另一種可稱(chēng)之為“直流母線(xiàn)最小電流法”，即定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相同時(shí)變頻器直流母線(xiàn)電流最小，借檢測(cè)直流母線(xiàn)電流間接檢測(cè)轉(zhuǎn)子頻率。 前一種理論上可行，但實(shí)際上v/f曲線(xiàn)與定子額定電流的關(guān)系物理概念不明確，低頻時(shí)又加入作為電壓補(bǔ)償?shù)奶嵘妷?，使得借v/f曲線(xiàn)比較電壓的精度難保證，另外，恒定額定電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題也直接影響電壓比較和頻率的搜索精度。 后一種物理概念明確但不可照搬，在本高壓變頻器功率單元中，無(wú)直流母線(xiàn)電流檢測(cè)，因此不能采用檢測(cè)直流母線(xiàn)電流間接檢測(cè)轉(zhuǎn)子頻率的方案。但可以把電機(jī)加入搜索電壓后產(chǎn)生的定子電流通過(guò)矢量分解，取出轉(zhuǎn)矩電流分量，借觀測(cè)轉(zhuǎn)矩電流分量間接觀測(cè)轉(zhuǎn)子頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子速度即為同步轉(zhuǎn)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流分量理論上應(yīng)等于零，但實(shí)際中在電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率的搜索過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角頻率是變化的，而矢量變換分解轉(zhuǎn)矩電流的變換關(guān)系式是對(duì)某一角頻率而言的，頻率搜索時(shí)變化步長(zhǎng)也不可能無(wú)窮小，有可能前一步高于轉(zhuǎn)子頻率,后一步又低于轉(zhuǎn)子頻率，所以應(yīng)按轉(zhuǎn)矩電流分量“接近于零”搜索。即按轉(zhuǎn)矩電流分量最小來(lái)“搜索”，給定一個(gè)最小轉(zhuǎn)矩電流比較值。 因?yàn)殡姍C(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度低于電機(jī)轉(zhuǎn)子速度時(shí)，電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)子將向定子側(cè)反送能量給變頻器電容充電，使變頻器電容電壓泵升過(guò)壓，故搜索過(guò)程必須從高于電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率起，考慮所有可能性取最高50Hz起。故頻率搜索由高到低單調(diào)下降。 搜索過(guò)程從高于電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率（50Hz）起，如果直接按v/f曲線(xiàn)將輸出“滿(mǎn)度”電壓，類(lèi)似“全壓直接啟動(dòng)”，電流與轉(zhuǎn)矩沖擊極大。因此電壓取“滿(mǎn)度”電壓的5%～20%輸出，搜索成功后再使電壓慢慢回升到此頻率下的“滿(mǎn)度”電壓。即弱化電壓限制電流與轉(zhuǎn)矩沖擊。 搜索過(guò)程雖然按“滿(mǎn)度”電壓的5%～20%輸出，也有可能因設(shè)置的弱化電壓系數(shù)不合適產(chǎn)生過(guò)電流，為此搜索過(guò)程還要有電流限幅，對(duì)電壓輸出構(gòu)成負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)抑制過(guò)電流。 考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子自由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向可能與正常運(yùn)行方向相反的情況，變頻器還要有雙向搜索功能，當(dāng)按正常運(yùn)行方向50Hz起一直到0Hz都搜索不到最小轉(zhuǎn)矩電流，則啟動(dòng)反向搜索過(guò)程，搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率后，先降速到0再正向加速到給定頻率。 3.2 高壓變頻器“飛車(chē)啟動(dòng)”的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)前面的分析結(jié)合原系統(tǒng)，可確定轉(zhuǎn)子頻率搜索的控制邏輯如圖1所示。 [align=center] 圖1 變頻器的“飛車(chē)啟動(dòng)”的功能圖[/align] 啟動(dòng)“飛車(chē)啟動(dòng)”功能后，將自動(dòng)斷開(kāi)正常的頻率給定，改為搜索給定器給出的100%（50Hz）到0%（0Hz）的遞減頻率給定，經(jīng)v/f曲線(xiàn)變換器生成的v＊要乘降壓系數(shù)（<20%）。電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)采樣值與最大電流imax比較,形成對(duì)電壓u＊act的負(fù)反饋，以限制頻率搜索中的過(guò)電流，當(dāng)電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)采樣值小于等于設(shè)定的最小轉(zhuǎn)矩電流時(shí)，表明頻率搜索成功。 而后，轉(zhuǎn)入頻率“置值”和“v＊平滑回升”的處理。v＊恢復(fù)后再按積分過(guò)程自動(dòng)調(diào)整到人為設(shè)定頻率點(diǎn)運(yùn)行。如果，電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)采樣值始終大于設(shè)定的最小轉(zhuǎn)矩電流且搜索延時(shí)已到則停止搜索，給出搜索失敗提示信息。 [b]4 實(shí)驗(yàn)的過(guò)程及遇到的問(wèn)題 4.1 飛車(chē)啟動(dòng)試驗(yàn) [/b] 飛車(chē)啟動(dòng)試驗(yàn)的方法如圖2所示。 [align=center] 圖2 試驗(yàn)框圖[/align] 先用低壓變頻器帶動(dòng)低壓電機(jī)把高壓電機(jī)拖到一定的轉(zhuǎn)速，然后將低壓變頻器切除，再啟動(dòng)高壓變頻器拖動(dòng)高壓電機(jī)，讓高壓變頻器搜索高壓電機(jī)的速度，搜索到同步轉(zhuǎn)速后再按正常啟動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)該過(guò)程中高壓變頻器輸出的電流變化情況如圖3和圖4所示。 [align=center] 圖3 輸出電流變化情況[/align] [align=center] 圖4 飛車(chē)啟動(dòng)過(guò)程電流變化情況[/align] 每格電流20A，電機(jī)額定電流60A，從測(cè)量的電流看搜索電機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)電流峰值為20A，電機(jī)加速中最大電流為50A左右； 4.2 高壓“飛車(chē)啟動(dòng)”的另一種想法和思考 在飛車(chē)啟動(dòng)功能中，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻輸出額定頻率（50Hz），輸出電壓按一定的速度從最低逐漸升高，在電壓升高的過(guò)程中同時(shí)檢測(cè)輸出電流，如果輸出電流大于額定電流的1.5倍時(shí)，保持輸出電壓不變，電流下降后再按一定的速度加大電壓，如果電壓加到額定頻率（50Hz）對(duì)應(yīng)的電壓時(shí)，基本認(rèn)為“飛車(chē)啟動(dòng)”完成，然后運(yùn)行到設(shè)定頻率進(jìn)行正常工作即可。 4.3待驗(yàn)證的問(wèn)題 （1） 電機(jī)再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在電壓加大過(guò)程中，電流變化是否不會(huì)超過(guò)額定電流的1.5倍； （2） 電壓加大按多大的速度遞增； （3） 如果輸出電流大于額定電流的1.5倍時(shí)，電壓保持不變過(guò)程中，電流是否會(huì)下降，如果電流不下降，降低輸出頻率，電流是否會(huì)下降。 4.4著手做高壓變頻器中的“飛車(chē)啟動(dòng)”功能和程序結(jié)構(gòu) “飛車(chē)啟動(dòng)”的關(guān)鍵是電流的檢測(cè)，合適的電流判斷依據(jù)是核心，目前沒(méi)有重點(diǎn)考慮，只考慮了頻率掃描的過(guò)程：開(kāi)始以50Hz的頻率逐漸下降，直到電流合適，然后頻率不變，逐漸升高輸出電壓，然后再運(yùn)行到設(shè)定的頻率。該過(guò)程有待于進(jìn)一步細(xì)化?？紤]到試驗(yàn)中有電機(jī)發(fā)電狀態(tài)，所以需要在高壓提升機(jī)變頻器上試驗(yàn)，電流的合適點(diǎn)也需要實(shí)測(cè)電流來(lái)確定。 [b]5 “星點(diǎn)漂移”功能 5.1 原理分析[/b] 在變頻器單元出現(xiàn)故障時(shí)，普通做法是將故障單元旁路的同時(shí)，讓其他兩相相應(yīng)的單元也同時(shí)旁路，這樣讓變頻器三相輸出電壓平衡，從而使電機(jī)的三相電流平衡，但這樣變頻器的輸出功率降低了，不適宜長(zhǎng)期工作。 因此，技術(shù)人員經(jīng)過(guò)分析，提出了“星點(diǎn)漂移”的做法。 如圖5所示，在正常情況下，三相輸出a、b、c平衡，中性點(diǎn)即星點(diǎn)在o點(diǎn)。當(dāng)a相有一個(gè)單元故障時(shí)，把星點(diǎn)由o點(diǎn)轉(zhuǎn)移到o1點(diǎn)，而b相和c相經(jīng)過(guò)運(yùn)算，對(duì)o1的輸出要與a相一致。當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)或3個(gè)單元故障時(shí)，同樣要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算使其一致。現(xiàn)最多可作到3個(gè)單元故障的星點(diǎn)轉(zhuǎn)移功能。 [align=center] 圖5 星點(diǎn)轉(zhuǎn)移示意圖[/align] 5.2 試驗(yàn)情況 高壓功率單元一個(gè)故障試星點(diǎn)偏移情況，故障相電流如圖6所示。 [align=center] 圖6 故障相電流[/align] 在一個(gè)單元故障時(shí)，輸出三相電流不平衡，5kv時(shí)，電流ia=5A，ib=10A，ic=12A，故障單元為a6；在故障一個(gè)單元的情況下停機(jī)，停機(jī)時(shí)的該相電流如圖7所示。 [align=center] 圖7 停機(jī)時(shí)的相電流[/align] 此時(shí)，電機(jī)在停止的過(guò)程中到30Hz左右時(shí)，出現(xiàn)a5過(guò)壓保護(hù)，故障單元換到b相出現(xiàn)同樣現(xiàn)象，換到b相中間出現(xiàn)該相的其他單元過(guò)壓保護(hù)，原因有待分析（可能電機(jī)的5kv反電勢(shì)直接加到5個(gè)功率單元上）。 故障a6一個(gè)單元，電壓在5kv時(shí)，在40Hz左右時(shí)電流情況如圖8所示。 [align=center] 圖8 40Hz時(shí)的電流波形[/align] 讓輸出三相的線(xiàn)電壓平衡，輸出電流如圖9所示。 [align=center] 圖9 星點(diǎn)轉(zhuǎn)移后的電流波形[/align] 在此情況下，停機(jī)過(guò)程中，電流情況如圖10所示。 [align=center] 圖10 星點(diǎn)轉(zhuǎn)移下的停機(jī)電流[/align] 在試驗(yàn)過(guò)程中電流波形正弦度不太好的原因可能是三相中的三次諧波無(wú)法相互抵消，實(shí)測(cè)也是如此，各次諧波電流如表1所示。 在輸出波形中將三次諧波去掉輸出正弦波時(shí)，各次諧波電流如表2所示。 在此情況下，偏移后電流波形如圖11所示。 [align=center] 圖11 處理后的星點(diǎn)偏移電流[/align] 同時(shí)故障兩個(gè)單元后的現(xiàn)象與上述相同。 6 風(fēng)光高壓變頻器設(shè)置“飛車(chē)啟動(dòng)”功能的方法 要使用飛車(chē)啟動(dòng)功能，首先要將變頻器主控板上的撥碼開(kāi)關(guān)7打至on位置。否則不能啟動(dòng)飛車(chē)啟動(dòng)功能，然后設(shè)置飛車(chē)啟動(dòng)的參數(shù)。 （1） 在變頻器的參數(shù)設(shè)置中，有一個(gè)啟動(dòng)頻率設(shè)置。 該參數(shù)可進(jìn)行簡(jiǎn)單的“飛車(chē)啟動(dòng)”。如果在變頻器啟動(dòng)之前，電機(jī)正在自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和變頻器要啟動(dòng)的方向相同，這時(shí)如果大約知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速就可估計(jì)出變頻需要輸出的頻率，然后用稍大于該頻率作為啟動(dòng)頻率。設(shè)置該參數(shù)后，就可啟動(dòng)變頻器。當(dāng)變頻器啟動(dòng)后達(dá)到該頻率下的電壓就可說(shuō)明啟動(dòng)完成。啟動(dòng)完成后，可以設(shè)置比該頻率低的頻率運(yùn)行。 （2） 搜頻時(shí)間 飛車(chē)啟動(dòng)時(shí)從高頻到低頻掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)間，默認(rèn)為30s，設(shè)置范圍為3～3200s，該值需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)來(lái)設(shè)定。如果現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的自由停車(chē)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，該值就要求大，如果自由停車(chē)時(shí)間較短時(shí)，該值就要求設(shè)置小。 （3） 電流檢測(cè)值 設(shè)置變頻飛車(chē)啟動(dòng)時(shí)的電流檢測(cè)值，與“飛車(chē)啟動(dòng)”功能配合使用。在運(yùn)行中設(shè)置無(wú)效，默認(rèn)值為0。 7 結(jié)束語(yǔ) 高壓變頻器的“飛車(chē)啟動(dòng)”及“星點(diǎn)漂移”功能的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，將為變頻器的安裝與調(diào)試及用戶(hù)使用帶來(lái)比較大的便利，是高壓變頻器的一大特色。在應(yīng)用中，只要能正確的設(shè)置參數(shù)，按照說(shuō)明書(shū)正確的操作，就能正確的應(yīng)用這一功能。今后，隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，變頻器的功能必將進(jìn)一步拓展，為用戶(hù)應(yīng)用帶來(lái)更大的方便。 作者簡(jiǎn)介 尹鵬飛 高級(jí)工程師 畢業(yè)于東北工業(yè)大學(xué)機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)現(xiàn)任山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司副總工。 參考文獻(xiàn) [1] 白德芳,李凱. 高壓變頻器飛車(chē)功能的實(shí)現(xiàn). 變頻器世界, 2007（4） [2] 山東新風(fēng)光電子高壓變頻器使用說(shuō)明書(shū)