高压变频器高压瞬间失电问题的解决方案

摘要：针对JZE高压变频器在现场实际应用的需要，对变频器在运行中高压瞬间失电9秒内不停机，在30秒（可设定）内高压恢复后，变频器自动重启机的功能实现进行阐述，简述了JZE高压变频器的控制组成，详细介绍PLC编程，人机界面设计。

关键词：变频器，PLC，飞车启动

1.引言：在节能降耗、保护环境作为国家工作重点的大环境下，最有效的节能产品高压变频器应用越来越广，为适应用户的各种要求，变频器的功能日趋多样化，但由于高压变频器大多应用于比较重要的场合，此环节出问题会造成不同程度的损失，而在各种应用场所，都存在高压瞬间失电的情况，如工厂的两路电源切换，电网出现故障瞬间恢复等，一般的高压变频器在输入电压跌落超过一定时间或是输入掉电后变频器便会保护停机，或者是最多支撑运行几秒钟后停机，此种现象在我国已发生多起并导致机组停机（包括一些应用进口高压变频器在内的一些实例）。POWERSMART系列高压变频器充分研究并考虑了此种因素的影响，在输入跌落或者是输入掉电后，只要是在设定的时间内电压恢复正常（最长可设定至30秒），能自行无冲击启动，将电机拖动至运行前的状态，不会终止后续生产。因此变频器具有“高压瞬间失电再起动功能”是必要的。
2.JZE高压变频器的控制组成
控制基本组成框图：

　　控制单元柜主要由主控制器、温控器、风机保护器、人机界面（彩色触摸屏）、PLC、嵌入式微机、开关电源、EMI模块、隔离变压器、空气开关、接触器、继电器、模拟量模块、开关量模块等组成。
　　主控制器，由总线板、电源单元、CPU单元、接口单元、3个相控单元及开关量、模拟量的输入、输出子模块等组成。它是变频器的控制核心，由两片DSP及多片FPGA、CLPD等构成，通过优质光纤将PWM信号传送到功率单元中，从而实现了高可靠的控制。
　　温控器，可以接3个感温探头，来测试切分变压器的温度，并提供告警或保护节点。
　　风机保护器，有3台，用来监控风机的缺相、过流等。其中，接功率单元柜的为2台，切分变压器柜1台。
PLC，内置PID调节模块和程序，可以实现闭环控制。它还含有模拟量、开关量模块，其路数可根据用户要求进行定制。
人机界面，设在控制单元柜前门上，用来提供设置、监视和切换等操作。它分别有数码管方式和彩色触摸屏方式两种，根据用户需求可进行选配，分别如下图所示：

液晶触摸屏操作界面

2.高压瞬间失电再起动功能特点
高压瞬间失电再起动功能应具有以下两个阶段
1.当变频器在运行当中高压瞬间失电再恢复时间在9秒内，变频器不停机，当高压恢复后自动恢复到原设定频率工作。
2.当变频器在运行当中高压瞬间失电再恢复时间超过9秒，在30秒内恢复，变频器自动重启动到设定频率。
　　九洲电气PowerSmart6000系列高压大功率变频器具有高压掉电再恢复功能，可靠保证供电瞬时失电连续运行不跳闸（时间通过软件可设定），变频装置瞬时失电后的5个周波之内，变频器运行不受任何影响；如果超过5个周波，在9秒内，变频器自动降额运行，待输入电压恢复正常后，自动重新提升输出频率到给定值。实现此功能
　　控制系统必须采用UPS不间断电源供电，用于在任何状态下，保持控制电源供电稳定。UPS同时用于给功率单元内的控制板电源，在高压失电后，控制板能够继续保持运行。在变频器短时高压失电时，系统快速调节变频器的运行频率，使其在短时间内下降到电机现有转速的同步频率，再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，将电机转子存储的飞轮动能转变为电能。在变频器失电其间，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。在变频器高压电源恢复后，变频器自动跟踪将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，最终将频率升到失电前的数值。如果在高压电源长时间超过9秒（时间可通过软件设置）失电的情况下，变频器自动停机，并输出报警。此时进入第二判据，30秒内高压是否恢复，
　　如果高压恢复，则自动重启动变频器恢复到原设定频率工作，此种情况下对于大惯性负载，电机处在旋转状态，变频器必须具有飞车启动功能才能实现。
　　对于第一阶段，需要在DSP内编程控制，第二阶段则可以通过PLC编程实现。
3.飞车启动功能原理
　　九州电气变频器高压变频器“飞车启动”功能采用的是无速度矢量传感器的方式。我们采用的是把电机加入搜索电压后产生的定子电流通过矢量分解，取出转矩电流分量，借观测转矩电流分量间接观测转子频率来实现。当定子旋转磁场速度与电机转子速度相同时，电机转子速度既为同步转速。此时，转矩电流分量理论上应等于零。但实际终在电机转子频率的搜索过程中，旋转磁场角频率是变化的。而矢量变换分解转矩电流的变换关系式是对某一角频率而言的，频率搜索时变化补偿也不可能无穷小，所以应按转矩电流分量“接近于零”搜索。即按转矩电流分量来“搜索”，给定一个最小转矩电流比较值。因为电机定子旋转磁场速度低于电机定子速度时，电动机处于发电状态，电机转子将向定子侧反送能量给变频器电容充电，使变频器电容电压泵升过压，故搜索频率过程必须从高于电机转子频率起。在变频器飞车启动电机的过程中，可以看到，启动后变频器的实际频率为50Hz，迅速下降，并处于运行未接通状态，到某一频率时接通，此时即为变频器已经搜索到电机实际运行频率，并控制电机运行。在某些情况下，电机转子自由旋转转向可能与正常运行方向相反，变频器还需要有双向搜索功能，当按正常方向的50Hz起一直到0Hz都搜索不到最小转矩电流，则启动反向搜索过程，搜索到电机转子频率后，先降速到0Hz再正向加速到给定频率。
　　在搜索过程中从高于电机转子的频率（50Hz）起，如果直接按V/F曲线间输出满度电压，类似于“全压直接启动”，电流与转矩冲击极大。因此电压取低于满度电压的电压输出，搜索成功后再使电压慢慢回升到此频率下的满度电压。即弱化电压限制电流与转矩冲击。具有上述飞车启动功能后，使得高压掉电再起动功能的实现成为可能。
3.PLC编程
　　JZE变频器采用西门子S2-200系列可编程控制器，主要包括C226、em223、em235模块组成，要实现此功能，只需在变频器高压失电检测继电器上取一常闭触点送给PLC，作为高压失电、得电信号。当高压失电时，失电信号送给plc，PLC接受信号后启动定时器，同时屏蔽高压失电跳闸输出，进行停机判断，如果停机并且当计时大于9秒小于30秒时高压恢复，变频器自动复位，并进行变频器故障判断，如果无故障，变频器启动，程序流程图如下：

4.人机界面设计
　　在触摸屏上创建如图界面，由于变频器应用场所不同，有些时候并需要高压失电再起功能，因此，此功能设置开启和关闭按钮以方便用户操作，当点击“开启”按钮时，程序设定开启飞车启动功能，同时置位plc内再启动功能程序段，使在启动程序有效，开启高压失电再启动功能。当点击‘关闭’按钮时则关闭飞车启动功能，跳过plc再启动功能程序段，从而关闭高压失电再启动功能。

　　总结：高压变频器的可靠性是任何应用场合都必须具有的，而高压失电再启动功能的实现，极大地方便了用户的需要，尤其在非常重要的场所，使得用户整个系统的可靠性有所提高，在实际应用意义重大。