电网瞬时停电保持变频器母线电压的新方法

　　工业现场中，风机、泵类等负载占有相当大的比重，这类负载中有些属于大惯性负载。电机带大惯性负载运行时，如果电网电压因为某种原因（如自动重合闸装置动作等）暂时中断，电网瞬时停电再来电，电机由于负载惯性大不能停转，变频器一般不能立即重新起动电机，而是等电机完全停转之后，再重新起动电机；否则，在电机减速过程中，变频器输出电压频率与电机转速所对应频率如果相差很大，易造成电机绕组过电流，损坏电机。这样，电机就存在一个长时间的停车过程，影响正常的工业生产。

　　为了解决上述问题，现有几种主要方法。一种是给变频器增加测速装置，电网瞬时停电后，控制电路停止发送三相PWM波，转而实时监测电机转子的转速，当电网来电时，控制变频器输出与电机转速相对应频率的电压，这样，电机定子绕组中形成的同步旋转磁场的转速与转子转速基本相同，然后，变频器运行频率从此频率处逐渐升高，带动电机重新回到停电前的状态。然而，这种方法需要增加测速环节，增加了控制系统的复杂性和控制成本。另一种方法是停电后检测由剩磁产生的感应电动势的频率，通过光耦和比较器将正弦波变成方波，通过检测方波的周期得到电机的运行频率，来电后，变频器按照此频率值升频，带动电机回到停电前状态。这种方法中功率单元和控制器之间需有效的光电隔离。

　　本文针对此问题提出了一种新的解决方法，具体的思路是：电网瞬时停电后，变频器不停机，转而进入有规律的降频运行状态，使电机旋转磁场的转速略低于其转子转速，电机处于微发电状态，电机和变频器构成一个自治系统，将大惯性负载的机械能转换为电能，通过逆变单元回馈到变频器的直流母线侧，从而维持母线电压水平。控制电路检测到电网来电后，使变频器从有规律的降频过程中恢复到停电前的运行状态。

　　这种方法不需增加测速装置，瞬时停电后，变频器以合适的速度连续降频，当母线有功电流过零后，电机进入微发电状态，变频器根据母线电压波动情况调节降频速度，使电机转速跟随变频器输出频率变化，电机处于微发电状态。与此同时，变频器母线电压维持在额定值附近，电网再来电时，整流单元对直流母线侧的大电容的冲击将变得很小。

　　停电期间，电机一直处于带电运行状态，因此，期间不存在长时间的停车过程。

　　定值，这时系统的工作情况是：变频器的逆变单元将直流电压变换为交流电压，给电机提供必要的励磁电流，用来产生电机的气隙磁场，当电机的转差率为负值时，机械功率将转化为电功率，此功率通过逆变器IGBT旁反并联的二极管，回馈给电容两端的电阻，同时补充电容上消耗的电荷，电容上电荷的消耗与补充导致直流电压的波动，这取决于电容的大小。当电机转速由于负载转矩、电磁转矩的作用逐渐减小时，不断地降低变频器的运行频率，保持足够的负转差率，适当的改变变频器的调制系数就可以使电机处于发电状态，而且维持母线电压在一个电压水平上。

　　感应发电机-变频器系统2.1感应电机电动、发电运行状态的分析电网瞬时停电后，感应电机处于电动运行状态，为了维持变频器母线电压，降低变频器运行频率，使感应电机进入发电运行状态。这样就有必要分析感应电机电动与发电运行状态。首先给出三相异步机稳态时的定、转子电势方程2感应发电机-变频器系统电网停电后，变频器降低运行频率，当运行频率（即同步转速）低于转子旋转频率时，感应电机即处于发电运行状态，由于电网与变频器之间没有能量的联系，这时将变频器母线侧电容两端并联的均压电阻看作负载，感应发电机与变频器组成一个自治系统，如所示。图中C代表变频器母线侧的大电解电容，札代表电容旁边并联的电阻，PWM逆变器是变频器的逆变单元，三个绕组代表感应电机的三相定子绕组。当变频器降频运行，感应电机的转差为一个负值时，假设电容电压值处于一个稳r2、x2*归算后的转子绕组的电阻和漏抗Zm*激磁阻抗转差率s为正值时，感应电机处于电动运行状态，电机吸收电功率；转差率s为负值时，感应电机处于发电运行状态，电机发出电功率。由定、转子电势、电压方程可得异步电机相量图。

　　分别是异步电机电动和发电状态的相量图，它们清楚地反映了电动与发电状态下定子电压、电流的关系。从可看出，电机电动运行时，U1和/1之间的相位差0°<仍<90°，从电网看电动机是感性负载；电机发电运行时，切和之间的相位差仍>90°，从电网看发电机也是感性负载，两种运行状态，定子的无功功率2i=R/isin！>0，这表明无论电机电动还是发电，电网总是提供感性电流，用于电机励磁。不同之处是电机电动运行时，定子的有功功率乃=R/！cos仍>0，电机做正功，吸收电网提供的有功能量；电机发电运行时，定子有功功率尸i<0，电机做了负功，说明电网吸收电机发出的有功功率。

　　异步电动机和发电机相量。2电机微发电的条件电网瞬时停电后，变频器降低运行频率，电机同步转速略低于转子转速，产生足够的负转差率，电机进入发电运行状态，但是，感应发电机的负转差率的绝对值不能太大，如：从下方虚点划线可以看出，当负转差率的绝对值由零逐渐变大时，可变电阻"2（1-5）/5的电功率的绝对值先由零逐渐变大，当大于某个值时，又开始逐渐变小，这说明并不是负转差率的绝对值越大，机械功率转换为电功率越多。从图中可以看出感应发电机回馈电源的净功率随着转差率的减小而逐渐减小，当负转差率小于某个值后，电机又开始从电网吸收电功率，因此，要保持电机向电网回馈能量，就不能使负转差率太小。转差率保持在图中第四象限的转矩-转差率曲线的线性部分，电机处于微发电状态。

　　感应电机可变电阻功率及转矩-转差关系控制单元的设计3.1硬件电路的设计试验变频器所用控制电路包括电网电压检测电路，母线电压、电流检测电路两部分。电网电压检测包括一个电压滞回比较器，母线电流、电压检测部分主要包括低通滤波器、A/D转换电路的设计。下面分别介绍各主要电路。

　　当电网电压下降到额定电压值10*%以下时，可以由电压滞回比较器检测到，并给出电网瞬时停电信号，其电路如所示，所设计的电压比较器的电压翻转上下限值可以根据实际要求来选取，本文设计的比较器上限值是4.9V，下限值是2.5V，分别选取电阻《4=10kn、穴5=20kD、A6=47kn，根据式（6）和式（7）可以得到所需要的电压上下限阈值。

　　电压滞回比较器电路低通滤波器电路用来滤除母线电压、电流中的脉动分量，得到有用的直流分量。母线电压是六倍于所整流的电网电压频率的脉动直流电压，母线电流从宏观上看也是脉动的直流，其中脉动分量主要用来提供产生电机旋转磁场的励磁无功电流，直流分量主要是转变为电磁功率的有功电流。电机从电动状态进入发电状态的过程中，母线电流反向，可以通过霍尔传感器检测。母线电流过零点是指母线电流中的有功直流分量过零，因此有必要加低通滤波器滤除母线电流中的无功脉动分量。这里采用双二次低通滤波器，如所示。

　　双二次低通滤波器的截止频率选为10Hz.截止频率通常规定为幅频特性曲线下降至*大值的/2时，GOn）：2，因此，二阶振荡环节的固有频率n就是截止频率*c，其值为10Hz.中，令19=2.=，则低通滤波器的传递函数为已知固有频率》n=l =7.07kD.是母线电流滤波效果图（1通道为滤波前波形，2通道为滤波后波形），此图是电机空载时得到的母线电流波形，图中，示波器采用交流耦合，只取脉动分量，从滤波后得到的母线电流波形可以看出，所设计的滤波器能够有效地滤除脉动分量，满足设计要求。

　　A/D转换电路采用模/数转换芯片ADC0809对母线电压、电流信号进行转换。它的时钟信号由单片机AT89LS8252的ALE脚经四分频电路得到，转换启动信号由单片机写信号WR与P20信号的或非信号给出，转换结束后，ADC0809通过EOC端向单片机发出中断申请，并将转换结果送到AT89LS8252的P0口，单片机通过读信号RD与P20信号的或非信号读取A/D转换的结果。

　　3.2控制策略与软件流程图本文采用的控制方法是根据母线电流有功分量过零点动态建立电压时间调节器，随后，由调节器根据母线电压的波动调节变频器降频速度。由转差率要求，选取固定的降频频段大小。因此，调节器输出的时间初值对应能使电机进入微发电状态的降频速度。建立调节器后，调节器起作用，实时调节每次降频速度，使电机处于微发电状态，向变频器母线侧回馈电能，维持母线电压的水平。

　　电网瞬时停电后，电机处于电动状态，此时选取一个合适的速度连续降低运行频率，当检测到母线电流有功分量过零时，以同样的速度降频一次，使电机进入微发电状态，降频结束时，取此时母线电压值作为电压基准值，即调节器的给定值。同时，取本次降频速度所对应的时间值作为调节器输出初值，建立调节器。当母线电压低于母线电压基准值时，启动调节器，随后，调节器通过改变变频器的降频速度对母线电压起调节作用。不同性质、大小的负载，建立不同的调节器，从而达到维持变频器母线电压的目的。控制系统的程序流程如所示。

　　试验思路：选用电动机-发电机组模拟大惯性负载，它的额定功率要大于试验用变频器的额定功率，电机带动的发电机的转子作为大惯性负载，由原理图可以看出两个不同容量的交流接触器并联接到三相电网上，交流接触器1额定电压380V，额定电流100A；交流接触器2额定电压380V，额定电流10A，分别给主电路和控制电路供电，切断交流接触器1，模拟电网停电。

　　试验结果：变频器起动前，调整母线电流采集通道电位器的值，使ADC0809管脚上的电压值为2.5V，其次设定变频器的运行参数，如运行频率、上升时间，额定输出电流等，设定完参数后，启动变频器。待变频器拖动电机达到稳态，运行在50Hz，测得母线电压为560V，变频器输出电流40A左右，这时切断交流接触器1，模仿电网停电情况。试验出现的结果是：当调整母线电流采集通道电位器的值，使ADC0809管脚上的电压值为2.5V时，变频器发生短路保护现象，调整电位器，使ADC0809管脚上的电压值为2.8V时，变频器连续降频，母线电压先降落到500V左右，然后回升到540V，并维持在这个水平，持续时间大约10s.同时，从变频器输出端的三相交流电压表、电流表可以看到，频率连续下降的过程中，变频器输出电压缓慢下降，输出电流一直维持在40A左右。

　　试验分析：变频器以1Hz为单位降频运行，检测母线电流过零点不准确，母线电流过零瞬间，变频器降频的速度快，磁通变化率就快，很小的转差率就可产生很大的定子电流，造成变频器短路保护。当调整母线电流采集通道的电位器后，变频器恰好以一个合适的降频速度运行，使电机一直处在微发电状态，从而维持母线电压在540V. 5结论试验表明选择一个合适的频率下降速度，可以使电机处在微发电状态，向变频器母线侧回馈能量，维持母线电压的水平，能够解决电网瞬时停电对变频器和电机带大惯性负载的影响。所提方法的正确性得到验证，进一步的试验是修改频率下降的单位间隔为0.01Hz，调整母线电流采集通道电位器值，使ADC0809管脚上的电压为2.5V，重新试验，得到更加合适的降频过程，然后选择PI参数，使调节器能尽快达到稳态，延长变频器停电后的运行时间，*后，试验停电再来电的情况。