一種變頻器控制電機過勵磁停機的方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種變頻器控制電機過勵磁停機的方法，利用電機過勵磁進行停機，當電機停機時，如果因為轉子慣量較大，電機進入發電狀態，變頻器通過加大定子勵磁電流，使電機過勵磁，將多余的電能轉化為熱能消耗掉，進而使電機盡快停機，且不會報出過壓或者過流的故障。本發明還提供一種變頻器控制電機過勵磁停機的裝置。
【專利說明】一種變頻器控制電機過勵磁停機的方法及其裝置

【技術領域】
[0001] 本發明屬于變頻器領域，特別涉及一種變頻器控制電機過勵磁停機的方法及其裝 置。

【背景技術】
[0002] 變頻器是將固定頻率的交流電變換成頻率連續可調的交流電的裝置，在工業的各 個行業廣泛應用。變頻調速已被公認為時最理想、最有發展前途的調速方式之一，它的主要 應用在節能、自動化系統以及提高工藝水平和產品質量等方面。
[0003] 電機在停機后依靠慣性還要轉動一段時間才能停下來，但很多應用場合要求電機 能夠快速的停下來，比如起重機或者卷揚機、機床的主軸、升降機等。在電機拖動的負載具 有較大的機械慣性的應用場合，當變頻器控制電機從高速到低速(零速）時，此時電機的運 行頻率下降很快，但電機轉子不可能很快停止，這樣就產生反電動勢，使電機處于發電狀 態。但由于通用變頻器通常都是交-直-交的主回路，是不可逆的，因此無法反饋到電網上 去，結果造成主回路母線電容兩端電壓抬升(稱為泵升電壓)，當其超過設定限值時，容易造 成變頻器過壓。因此需要采取某些措施對電機進行控制，達到快速制動或停機的目的。
[0004] 目前電機的制動方式主要有能耗制動、再生回饋制動、直流制動。
[0005] 能耗制動的基本原理是在主回路正負母線上并聯可控制通斷的制動電阻，電機制 動過程中，如果進入發電狀態，當母線電壓達到設定上線電壓時，制動回路導通，制動電路 流過電流，從而將電能變成熱能消耗，母線電壓隨之下降，待母線電壓到達設定下限時，制 動回路斷開。
[0006] 能耗制動的缺點制動時間是人為設定的，屬于不可控，制動時母線電壓存在一定 幅度的波動，輸出電流和制動力矩會同步波動，影響電機的穩定性。能耗制動需要外接制動 電阻，增加了部分成本。另外能耗制動運行效率低，特別是在頻繁制動時將要消耗大量的能 量，而且制動電阻容量也將增大。
[0007] 直流制動的原理：在電機定子加直流電壓，此時變頻器的輸出頻率為零，這時定子 產生靜止的恒定磁場，轉動著的轉子切割此磁場產生制動力矩，迫使電動機轉子較快的停 止，這樣電動機存諸的動能換成電能消耗于步電動機的轉子電路中。主要應用在需要準確 停車、阻止電機啟動前的不規則自旋轉(如風機）等場合。
[0008] 直流制動的缺點是需要設定制動起始頻率、在電機運行頻率下降到較低時制動對 電機比較安全，電機高速運行時容易造成過流或者過壓。一般需要與其它制動方式配合使 用。
[0009] 回饋制動的原理：當電機減速時，如果進入發電狀態，可以通過一套能量回饋裝 置，進行自動控制，將電機發電狀態產生的電能送回電網。該方式下，電機可以四象限運行， 向電網回饋電能提高了整個系統的效率。
[0010] 回饋制動的缺點：只有在不易發生故障的穩定電網電壓下，才可以采用回饋制動 的方式，否則容易發生換相失敗，損壞器件；回饋制動，對電網有諧波污染，同時其控制復 雜，使用成本較高。


【發明內容】

[0011] 本發明的目的在于提供一種控制簡單且成本低的變頻器控制電機過勵磁停機的 方法。
[0012] 本發明還提供一種變頻器控制電機過勵磁停機的裝置。
[0013] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種變頻器控制電機過勵磁停 機的方法，包括如下步驟： a、 當需要停機或者制動時，變頻器給出減速命令，執行步驟b ; b、 判斷母線電壓是否達到設定的上限值，如果沒有達到則執行步驟g，如果達到設定則 執行步驟c ; c、 判斷變頻器母線電壓或者輸出電流是否達到故障預判值，如果沒有達到則執行步驟 d，如果達到設定則執行步驟i ; d、 對定子電流進行電流解耦運算，得到勵磁電流IM，并執行步驟e ; e、 對勵磁電流IM進行PI調節，輸出調節量，并執行步驟f ; f、 根據步驟e中輸出的調節量對V/F輸出電壓進行調節，輸出調整后的電壓值，并執行 步驟h ; g、 輸出頻率按照根據設定的頻率下降率減小、根據V/F曲線，計算輸出電壓，并執行步 驟j ; h、 輸出頻率按照根據設定的頻率下降率減小，并執行步驟j ; i、 減小輸出頻率下降率，根據V/F曲線，計算輸出電壓，并執行步驟j ; j、 判斷減速是否完成，即輸出頻率是否到達設定頻率，如果沒有完成則執行步驟b，如 果完成則執行步驟k ; k、 減速結束。
[0014] 在步驟d中，對解耦的電流分量IM進行標么處理。
[0015] 在步驟e中，調節目標量根據實際的負載情況可以設定為電機額定電流的 1. (Γ1. 3倍，調節輸出量為輸出電壓增量。
[0016] 本發明還提供一種變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，包括： 用于根據變頻器的輸出頻率，計算電機ν/F曲線的電壓值的V/F輸出電壓運算裝置； 用于對電機定子電流進行解耦，得到勵磁電流IM的激勵電流運算裝置； 用于對勵磁電流IM進行調節的PI調節裝置； 所述PI調節裝置輸出調節量對所述V/F輸出電壓運算裝置的輸出電壓進行調節，從而 調節電機定子電流。
[0017] 其中，上述變頻器控制電機過勵磁停機的裝置進一步包括用于對變頻器的輸出頻 率進行調節的頻率調節裝置。
[0018] 其中，上述變頻器控制電機過勵磁停機的裝置進一步包括對變頻器母線電壓、輸 出電流進行采樣的采樣裝置。
[0019] 其中，上述變頻器控制電機過勵磁停機的裝置進一步包括用于控制電機驅動的變 頻器電機驅動裝置。
[0020] 其中，上述變頻器控制電機過勵磁停機的裝置進一步包括依次連接的電壓矢量計 算模塊、PWM占空比計算模塊，用于將所述V/F輸出電壓運算裝置的輸出電壓經過調節后的 電壓生成三相脈沖電壓。
[0021] 其中，上述激勵電流運算裝置包括park變換單元和Clarke變換單元。
[0022] 其中，上述變頻器控制電機過勵磁停機的裝置進一步包括用于對V/F輸出電壓運 算裝置的輸出電壓和PI調節器的輸出量進行疊加調節的加法器。
[0023] 與現有技術相比較，實施本發明的變頻器控制電機過勵磁停機的方法，具有以下 有益效果：與能耗制動方式相比，該方法節省了制動電阻及相關硬件電路的成本，并避免了 上述硬件電路帶來的系統故障點，提高了系統的可靠性和運行效率；與直流制動方式相比， 該方法適用于整個制動階段，不必在減速的高頻和低頻階段采用不同的制動方式；與回饋 制動方式相比，該方法的優勢在于控制方法簡單且對電網無諧波干擾。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明的控制過勵磁停機的裝置的結構示意圖。
[0025] 圖2是本發明變頻器控制電機過勵磁停機的方法的流程圖。
[0026] 圖3是未開啟過勵磁停機，變頻器控制電機正常停機的電流波形。
[0027] 圖4是開啟過勵磁停機，變頻器控制電機以過勵磁方式停機的電流波形。

【具體實施方式】
[0028] 本發明利用電機過勵磁進行停機，當電機停機時，如果因為轉子慣量較大，電機進 入發電狀態，變頻器通過加大定子勵磁電流，使電機過勵磁，將多余的電能轉化為熱能消耗 掉，進而使電機盡快停機，且不會報出過壓或者過流的故障。
[0029] 如圖1所示，本發明的變頻器控制過勵磁停機的裝置100包括變頻器電機驅動裝 置110、頻率調節裝置120、母線電壓和相電流采樣電路102、定子電流解耦計算裝置134、 勵磁電路PI調節器105、V/F輸出電壓運算裝置106、加法器107、電壓矢量計算模塊108、 PWM占空比計算模塊109。其中，定子電流解耦計算裝置134進一步包括，park變換單元103 和clarke變換單元104。各部件的功能和作用將結合圖2進行詳細說明。電壓矢量計算模 塊108、PWM占空比計算模塊109生成三相的IGBT驅動電壓 在圖2所示的一種變頻器控制電機過勵磁停機的方法中，包括如下步驟： 511、 當需要停機或者制動時，變頻器給出減速命令，電機的減速時的頻率下降率由變 頻器的頻率調節裝置120設定； 512、 母線電壓和相電流采樣電路102每隔2ms采樣母線電壓Vdc，判斷母線電壓是否達 到設定的上限值，如果沒有達到則執行步驟S18,表明按照當前的V/F曲線進行減速，變頻 器的母線電容可以承受，不需要進行過勵磁停機控制，繼續正常停機命令即可；如果達到上 限設定值，則表明變頻器的母線承受不了電機電動狀態帶來的泵升電壓，需要進行過勵磁 停機控制，執行步驟S13 ; 513、 判斷變頻器母線電壓Vdc或者三相輸出電流Iu、Iv、Iw的電流有效值是否達到故 障預判值，如果沒有達到則執行步驟S15,如果達到設定則執行步驟S14 ; 514、 當母線電壓或輸出電流有效值達到故障預判值，此時需要頻率調節裝置120減小 輸出頻率下降率，以避免變頻器報出過壓或者過流故障，根據V/F曲線，計算輸出電壓，并 執行步驟S19 ; 515、 電流解稱計算裝置134對定子電流Iu、Iv進行電流解稱運算，經過park變換單 元103和clarke變換單元104進行park變換和clarke變換后，得到勵磁電流I M和轉矩 電流Ιτ，為了便于計算，應對解耦的電流分量進行標么處理，并執行步驟S16 ; 516、 PI調節器105對勵磁電流ΙΜ進行ΡΙ調節，調節目標量根據實際的負載情況可以 設定為電機額定電流的1. (Γ1. 3倍，調節輸出量為輸出電壓增量dV，并執行步驟S17 ; 517、 勵磁電流IM的PI調節輸出電壓增量dV與根據V/F曲線計算的輸出電壓V/FVolt 通過加法器107求和得到調整后的電壓值V/FVolt + dV，電壓矢量計算模塊108、PWM占空 比計算模塊109將調整后的電壓值V/FVolt + dV轉換為三相脈沖電壓輸出給變頻器電機 驅動裝置110,將并執行步驟S18 ; 518、 頻率調節裝置120控制輸出頻率按照根據設定的頻率下降率減小，并執行步驟 S19 ； 519、 判斷減速是否完成，即輸出頻率是否到達設定頻率，如果沒有完成則執行步驟 S12,如果完成則執行步驟S20 ; 520、 減速結束。
[0030] 圖3是未采用本發明的控制方法，正常方式停機的電流實測波形，橫坐標表示時 間，縱坐標為u相電流值，電機功率2. 2kW的情況下測試，帶大慣量負載，設置停機時間為 ls，實測停機時間為1. 3s，電流有效值5. 5A。
[0031] 圖4是采用本發明的控制方法的實測停機電流波形，橫坐標表示時間，縱坐標為u 相電流值，電機功率2. 2kW的情況下測試，帶大慣量負載，設置停機時間為ls，實測停機時 間為1. ls，電流有效值6.45A。
[0032] 從圖3和圖4的對比看，采用本發明過勵磁控制方式的停機電流比不采用本發明 的停機電流有效值大17. 3%，停機時間縮短15. 4%，同時電流穩定性也明顯優于不采用過勵 磁停機的控制方式。
[0033] 綜上所述，本發明通過對停機時的定子電流進行解耦計算，得到勵磁電流和轉矩 電流，對勵磁電流的閉環控制，使勵磁電流增加到設定值。實現快速穩定的過勵磁停機。與 現有停機方式相比，本發明在不增加任何硬件成本的前提下，縮短了停機時間、提高了停機 電流和母線電壓的穩定性，從而提高了系統的可靠性和穩定性。
[〇〇34] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的 保護范圍。
【權利要求】
1. 一種變頻器控制電機過勵磁停機的方法，其特征在于，包括如下步驟： a、 當需要停機或者制動時，變頻器給出減速命令，執行步驟b ; b、 判斷母線電壓是否達到設定的上限值，如果沒有達到則執行步驟g，如果達到設定則 執行步驟c ; c、 判斷變頻器母線電壓或者輸出電流是否達到故障預判值，如果沒有達到則執行步驟 d，如果達到設定則執行步驟i ; d、 對定子電流進行電流解耦運算，得到勵磁電流IM，并執行步驟e ; e、 對勵磁電流IM進行PI調節，輸出調節量，并執行步驟f ; f、 根據步驟e中輸出的調節量對V/F輸出電壓進行調節，輸出調整后的電壓值，并執行 步驟h ; g、 輸出頻率按照根據設定的頻率下降率減小、根據V/F曲線，計算輸出電壓，并執行步 驟j ; h、 輸出頻率按照根據設定的頻率下降率減小，并執行步驟j ; i、 減小輸出頻率下降率，根據V/F曲線，計算輸出電壓，并執行步驟j ; j、 判斷減速是否完成，即輸出頻率是否到達設定頻率，如果沒有完成則執行步驟b，如 果完成則執行步驟k ; k、 減速結束。
2. 根據權利要求1所述的變頻器控制異步電機過勵磁停機的方法，其特征在于，步驟d 中，對解耦的電流分量IM進行標么處理。
3. 根據權利要求1所述的變頻器控制電機過勵磁停機的方法，其特征在于，步驟e中， 調節目標量根據實際的負載情況可以設定為電機額定電流的1. (Γ1. 3倍，調節輸出量為輸 出電壓增量。
4. 一種變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，其特征在于，包括： 用于根據變頻器的輸出頻率，計算電機V/F曲線的電壓值的V/F輸出電壓運算裝置； 用于對電機定子電流進行解耦，得到勵磁電流IM的激勵電流運算裝置； 用于對勵磁電流IM進行調節的PI調節裝置； 所述PI調節裝置輸出調節量對所述V/F輸出電壓運算裝置的輸出電壓進行調節，從而 調節電機定子電流。
5. 根據權利要求4所述的變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，其特征在于，進一步包 括用于對變頻器的輸出頻率進行調節的頻率調節裝置。
6. 根據權利要求4所述的變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，其特征在于，進一步包 括對變頻器母線電壓、輸出電流進行采樣的采樣裝置。
7. 根據權利要求4所述的變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，其特征在于，進一步包 括用于控制電機驅動的變頻器電機驅動裝置。
8. 根據權利要求4所述的變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，其特征在于，進一步包 括電壓矢量計算模塊、PWM占空比計算模塊，用于將所述V/F輸出電壓運算裝置的輸出電壓 經過調節后的電壓生成三相脈沖電壓。
9. 根據權利要求4所述的變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，其特征在于，激勵電流 運算裝置包括park變換單元和clarke變換單元。
10.根據權利要求4所述的變頻器控制電機過勵磁停機的裝置，其特征在于，進一步包 括用于對V/F輸出電壓運算裝置的輸出電壓和PI調節器的輸出量進行疊加調節的加法器。
【文檔編號】H02P3/18GK104104279SQ201410367786
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】王茂峰 申請人:深圳市步科電氣有限公司