高壓變頻裝置高壓瞬間失電問題的解決方案

摘要：針對(duì)JZE高壓變頻器在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的需要，對(duì)變頻器在運(yùn)行中高壓瞬間失電9秒內(nèi)不停機(jī)，在30秒（可設(shè)定）內(nèi) 高壓恢復(fù)后，變頻器自動(dòng)重啟機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述，簡(jiǎn)述了JZE高壓變頻器的控制組成，詳細(xì)介紹PLC編程，人機(jī)界面設(shè)計(jì).
關(guān)鍵詞：變頻器，PLC，飛車啟動(dòng)

1.引言：
在節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境作為國家工作重點(diǎn)的大環(huán)境下，最有效的節(jié)能產(chǎn)品高壓變頻器應(yīng)用越來越廣，為適應(yīng)用戶的各種要求，變頻器的功能日趨多樣化，但由于高壓變頻器大多應(yīng)用于比較重要的場(chǎng)合，此環(huán)節(jié)出問題會(huì)造成不同程度的損失，而在各種應(yīng)用場(chǎng)所，都存在高壓瞬間失電的情況，如工廠的兩路電源切換，電網(wǎng)出現(xiàn)故障瞬間恢復(fù)等，一般的高壓變頻器在輸入電壓跌落超過一定時(shí)間或是輸入掉電后變頻器便會(huì)保護(hù)停機(jī)，或者是最多支撐運(yùn)行幾秒鐘后停機(jī)，此種現(xiàn)象在我國已發(fā)生多起并導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)（包括一些應(yīng)用進(jìn)口高壓變頻器在內(nèi)的一些實(shí)例）。POWERSMART系列高壓變頻器充分研究并考慮了此種因素的影響，在輸入跌落或者是輸入掉電后，只要是在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)電壓恢復(fù)正常（最長可設(shè)定至30秒），能自行無沖擊啟動(dòng)，將電機(jī)拖動(dòng)至運(yùn)行前的狀態(tài)，不會(huì)終止后續(xù)生產(chǎn)。因此變頻器具有“高壓瞬間失電再起動(dòng)功能”是必要的。

2. JZE高壓變頻器的控制組成
控制基本組成框圖：

　 控制單元柜主要由主控制器、溫控器、風(fēng)機(jī)保護(hù)器、人機(jī)界面（彩色觸摸屏）、PLC、嵌入式微機(jī)、開關(guān)電源、EMI模塊、隔離變壓器、空氣開關(guān)、接觸器、繼電器、模擬量模塊、開關(guān)量模塊等組成。

　　主控制器，由總線板、電源單元、CPU單元、接口單元、3個(gè)相控單元及開關(guān)量、模擬量的輸入、輸出子模塊等組成。它是變頻器的控制核心，由兩片DSP及多片F(xiàn)PGA、CLPD等構(gòu)成，通過優(yōu)質(zhì)光纖將PWM信號(hào)傳送到功率單元中，從而實(shí)現(xiàn)了高可靠的控制。

　　溫控器，可以接3個(gè)感溫探頭，來測(cè)試切分變壓器的溫度，并提供告警或保護(hù)節(jié)點(diǎn)。

　　風(fēng)機(jī)保護(hù)器，有3臺(tái)，用來監(jiān)控風(fēng)機(jī)的缺相、過流等。其中，接功率單元柜的為2臺(tái)，切分變壓器柜1臺(tái)。

PLC，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)模塊和程序，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。它還含有模擬量、開關(guān)量模塊，其路數(shù)可根據(jù)用戶要求進(jìn)行定制。

人機(jī)界面，設(shè)在控制單元柜前門上，用來提供設(shè)置、監(jiān)視和切換等操作。它分別有數(shù)碼管方式和彩色觸摸屏方式兩種，根據(jù)用戶需求可進(jìn)行選配，分別如下圖所示：

3. 高壓瞬間失電再起動(dòng)功能特點(diǎn)
高壓瞬間失電再起動(dòng)功能應(yīng)具有以下兩個(gè)階段
3.1.當(dāng)變頻器在運(yùn)行當(dāng)中高壓瞬間失電再恢復(fù)時(shí)間在9秒內(nèi)，變頻器不停機(jī)，當(dāng)高壓恢復(fù)后自動(dòng)恢復(fù)到原設(shè)定頻率工作。
3.2.當(dāng)變頻器在運(yùn)行當(dāng)中高壓瞬間失電再恢復(fù)時(shí)間超過9秒，在30秒內(nèi)恢復(fù)，變頻器自動(dòng)重啟動(dòng)到設(shè)定頻率。

　　九洲電氣PowerSmart6000系列高壓大功率變頻器具有高壓掉電再恢復(fù)功能，可靠保證供電瞬時(shí)失電連續(xù)運(yùn)行不跳閘（時(shí)間通過軟件可設(shè)定），變頻裝置瞬時(shí)失電后的5個(gè)周波之內(nèi)，變頻器運(yùn)行不受任何影響；如果超過5個(gè)周波，在9秒內(nèi)，變頻器自動(dòng)降額運(yùn)行，待輸入電壓恢復(fù)正常后，自動(dòng)重新提升輸出頻率到給定值。實(shí)現(xiàn)此功能。

　　控制系統(tǒng)必須采用UPS不間斷電源供電，用于在任何狀態(tài)下，保持控制電源供電穩(wěn)定。UPS同時(shí)用于給功率單元內(nèi)的控制板電源，在高壓失電后，控制板能夠繼續(xù)保持運(yùn)行。在變頻器短時(shí)高壓失電時(shí)，系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率，使其在短時(shí)間內(nèi)下降到電機(jī)現(xiàn)有轉(zhuǎn)速的同步頻率，再從快速下降狀態(tài)調(diào)節(jié)為PID控制狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率下降速率，將電機(jī)從異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒皆偕l(fā)電機(jī)的狀態(tài)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｔ谧冾l器失電其間，保持電機(jī)再生異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子中的飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能維持系統(tǒng)的消耗。將電容陣列電壓作為關(guān)鍵進(jìn)程點(diǎn)，通過對(duì)變頻器輸出頻率下降的速率調(diào)節(jié)，使電容陣列電壓保持在額定狀態(tài)。在變頻器高壓電源恢復(fù)后，變頻器自動(dòng)跟蹤將輸出頻率快速向上調(diào)節(jié)，當(dāng)測(cè)定電流方向變化時(shí)，穩(wěn)定頻率輸出延時(shí)，防止系統(tǒng)振蕩，最終將頻率升到失電前的數(shù)值。如果在高壓電源長時(shí)間超過9秒（時(shí)間可通過軟件設(shè)置）失電的情況下，變頻器自動(dòng)停機(jī)，并輸出報(bào)警。此時(shí)進(jìn)入第二判據(jù)，30秒內(nèi)高壓是否恢復(fù)，

　　如果高壓恢復(fù)，則自動(dòng)重啟動(dòng)變頻器恢復(fù)到原設(shè)定頻率工作，此種情況下對(duì)于大慣性負(fù)載，電機(jī)處在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，變頻器必須具有飛車啟動(dòng)功能才能實(shí)現(xiàn)。
　　對(duì)于第一階段，需要在DSP內(nèi)編程控制，第二階段則可以通過PLC編程實(shí)現(xiàn)。

4.飛車啟動(dòng)功能原理
　　九州電氣變頻器高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”功能采用的是無速度矢量傳感器的方式。我們采用的是把電機(jī)加入搜索電壓后產(chǎn)生的定子電流通過矢量分解，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)子速度既為同步轉(zhuǎn)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流分量理論上應(yīng)等于零。但實(shí)際終在電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率的搜索過程中，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)變化補(bǔ)償也不可能無窮小，所以應(yīng)按轉(zhuǎn)矩電流分量“接近于零”搜索。即按轉(zhuǎn)矩電流分量來“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)定子速度時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(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壓，故搜索頻率過程必須從高于電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率起。在變頻器飛車啟動(dòng)電機(jī)的過程中，可以看到，啟動(dòng)后變頻器的實(shí)際頻率為50Hz，迅速下降，并處于運(yùn)行未接通狀態(tài)，到某一頻率時(shí)接通，此時(shí)即為變頻器已經(jīng)搜索到電機(jī)實(shí)際運(yùn)行頻率，并控制電機(jī)運(yùn)行。在某些情況下，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，變頻器還需要有雙向搜索功能，當(dāng)按正常方向的50Hz起一直到0Hz都搜索不到最小轉(zhuǎn)矩電流，則啟動(dòng)反向搜索過程，搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率后，先降速到0Hz再正向加速到給定頻率。

　　在搜索過程中從高于電機(jī)轉(zhuǎn)子的頻率（50Hz）起，如果直接按V/F曲線間輸出滿度電壓，類似于“全壓直接啟動(dòng)”，電流與轉(zhuǎn)矩沖擊極大。因此電壓取低于滿度電壓的電壓輸出，搜索成功后再使電壓慢慢回升到此頻率下的滿度電壓。即弱化電壓限制電流與轉(zhuǎn)矩沖擊。具有上述飛車啟動(dòng)功能后，使得高壓掉電再起動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)成為可能。

5.PLC編程
　　JZE變頻器采用西門子S2-200 系列可編程控制器，主要包括C226、em223、em235模塊組成，要實(shí)現(xiàn)此功能，只需在變頻器高壓失電檢測(cè)繼電器上取一常閉觸點(diǎn)送給PLC，作為高壓失電、得電信號(hào)。當(dāng)高壓失電時(shí)，失電信號(hào)送給plc，PLC接受信號(hào)后啟動(dòng)定時(shí)器，同時(shí)屏蔽高壓失電跳閘輸出，進(jìn)行停機(jī)判斷，如果停機(jī)并且當(dāng)計(jì)時(shí)大于9秒小于30秒時(shí)高壓恢復(fù)，變頻器自動(dòng)復(fù)位，并進(jìn)行變頻器故障判斷，如果無故障，變頻器啟動(dòng)，程序流程圖如下：

6. 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
　　在觸摸屏上創(chuàng)建如圖界面，由于變頻器應(yīng)用場(chǎng)所不同，有些時(shí)候并需要高壓失電再起功能，因此，此功能設(shè)置開啟和關(guān)閉按鈕以方便用戶操作，當(dāng)點(diǎn)擊“開啟”按鈕時(shí)，程序設(shè)定開啟飛車啟動(dòng)功能，同時(shí)置位plc內(nèi)再啟動(dòng)功能程序段，使在啟動(dòng)程序有效，開啟高壓失電再啟動(dòng)功能。當(dāng)點(diǎn)擊‘關(guān)閉’按鈕時(shí)則關(guān)閉飛車啟動(dòng)功能，跳過plc再啟動(dòng)功能程序段，從而關(guān)閉高壓失電再啟動(dòng)功能。

　　總結(jié)：高壓變頻器的可靠性是任何應(yīng)用場(chǎng)合都必須具有的，而高壓失電再啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，極大地方便了用戶的需要，尤其在非常重要的場(chǎng)所，使得用戶整個(gè)系統(tǒng)的可靠性有所提高，在實(shí)際應(yīng)用意義重大。