负载启动特性自学习系统在CGV系列变频器中的应用

摘要：提出了一种利用电参量间接测量变频器负载启动特性的检测方案并成功应用于CGV系列变频器。分析了其工作原理和硬件组成，以风机类负载为例介绍了针对该类负载的软件算法，并在其中考虑了变频器输出三相电压不对称对测量结果的影响。仿真和现场实验结果表明：该方法测量精度高，稳定性好，不受现场机械振动、污染等工艺噪音的影响，并且能有效改善变频器的启动、调速性能。

　　关键词：变频器；负载启动特性；DSP；间接测量

　　引言

　　变频器作为一种通用的变频调速设备，其不同的应用场合也将面对不同类型的电机拖动负载，根据这一实际情况，CGV系列变频器采用了一种利用电参量间接测量负载启动特性的检测方法，在变频器次上电使用时对负载的启动特性进行自学习，并对变频器输出进行自动优化，结合矢量变频技术，保证变频器在不同的现场工况下均能达到优异的启动、调速性能。

　　CGV系列变频器采用的电参量间接检测负载启动特性的方法，摒弃了传统直接测量力矩的方法，并在算法中考虑了变频器输出三相电压不对称对测量结果的影响。仿真和现场实验结果表明：该方法测量精度高，稳定性好，不受现场机械振动、污染等工艺噪音的影响，能较好地完成负载的启动特性曲线测量，并能成功优化变频器的出力曲线，有效改善变频器的调速性能。

　　1　CGV系列变频器的原理

　　1.1 基本测量原理

　　电动机拖动系统工作原理图如图1所示。负载启动和运行中有两个方向相反的转矩。一个是驱动负载转动

图1 拖动系统工作原理示意图

 
　　另一个是阻碍负载转动的机械阻力转矩，此转矩由机械负载产生。图2为转矩与转差率的关系曲线。图中横坐标 为转差率，纵坐标 为转矩，曲线1为电动机的电磁转矩与转差率的关系曲线，曲线2为负载所产生的转矩与转差率的关系曲线。两线的交点 为稳定工作点，一般也就是额定转速(相应的转差率为 )所对应的点[2]。由图可见，在转速从零到额定转速(即 从1到 )过程中曲线1必须要高于曲线2，即电磁转矩必须要大于阻力转矩(图中阴影部分面积大于零)。显然，如既要保证负载正常启动，又要使系统的运行效率达到，准确知道负载的启动特性——启动转矩大小随一些参数（如转速、时间等）的变化曲线是关键。

 图2 转矩与转差率的关系曲线图

　　以风机类负载为例，由电力拖动系统动力学知识可知，风机的转矩计算公式为：
                 (1)
　　式中，Ｔg 为风机的转矩(N?m)； 为传动机构的传动效率，它是各级传动效率的乘积； 为传动机构的总速比，它是各级传动比的乘积； 为电动机的输出转矩(N?m)；GD₂ 为电动机轴上的总飞轮矩(N?m2)；n 为电动机的转速(r/min)； 为转子机械角加速度[3]。  只与风机系统的结构和材料有关，为已知量，只要测得 和 就可由式(1)计算出风机的转矩 。

电动机的输出转矩 ，可通过式(2)获得。采集电动机定子的三相电压和三相电流，计算输入功率 ，再根据电动机的效率特性曲线 得到电动机的输出功率 ，代入下式计算 ：
                           (2)
　　式中， 为电动机角速度(rad/s)， ； 为电动机的转速。

　　但是，值得注意的是，式(1)是在电源三相电压负载都对称的情况下得到的。当变频器输出的三相电压或负载不对称时，利用对称分量法将电流分解成正序电流分量和负序电流分量的矢量和，并求得相应的正序功率 、负序功率 。 其中 转化为负载驱动转矩，而 转化成的负载制动转矩。电动机实际传递给负载的有效正序驱动转矩可以表示为：
               (3)
　　当电源三相电压和负载都对称时，P 为零，P₂=P₊ ，所以式(3)亦适用对称情况。只要求得P+ 、n  即可得T 。

　　1.2 功率测量

　　将在欧氏空间采集到的三相电流i_A 、i_B i_C 进行3相/2相变换得 坐标系下的 、 ，变换式如下[4][5]：
 ，  (4)
    再将 、 分别进行正序旋转变换和负序旋转变换得 i_P1、i_q1 和 i_p2、iq₂ ：
 ，    (5)(6)
　　其中 。 和 是 经锁相环PLL产生的[6]。 、 与正序电流分量相对应， 、 与负序电流分量相对应。经过低通滤波(LPF)后再进行逆变换即可分别得到正序电流分量i_A1 、i_B1 、i_C1 和负序电流分量 i_A2、i_B2 、i_C2 。测量原理框图如图3(a)所示，将i_A1 、 i_B1 、i_C1 与三相电压u_A 、u_B 、u_C 相乘并积分，尽管三相电压中含有负序分量，但其与 i_A1、i_B1 、i_C1 相乘并积分后的值为零，因此最后的结果就是三相电压中正序分量与 i_A1、i_B1 、i_C1  相乘并积分后的值，即 ：
         (7)
　　同理，三相电压中正序分量与i_A2 、i_B2 、i_C2 相乘并积分后的值也为零，因此，将 i_A2、i_B2  、i_C2 与u_A  、u_B 、u_C  相乘并积分即可得到P ：
        (8)
 P+和 P-算法原理框图如图3(b)所示。

　　图3 功率测量原理示意图

　　1.3 转速测量

　　电动机转速测量采用的是旋转式光电编码器，并使用M/T法测量。光电编码器输出的是数字脉冲量，可直接输入到处理器进行计数，并通过下式计算出该采样点的电机转速 ：
                            (9)
式中，f 为时钟频率；N 为编码器每转脉冲数； M₁为测得编码器脉冲数；M₂ 为采样周期 期间T_d的时钟脉冲总数[7]。

　　1.4 负载启动特性曲线测量

　　将上述测得的P₊ 、P_- 和电动机转速n 代入下式即可求得风机类负载转动力矩 Tg，进而可获得 Tg与 n的关系曲线——风机启动特性曲线。其他类型的负载可通过用户在变频器次上电使用时提前设定。
      (10)
　　2 CGV系列变频器的系统结构

　　2.1 硬件设计

　　检测单元模块分为主控板和电源接口板两部分，这种结构是为了系统的运用尽可能的灵活，仅需更换接口板和改变主控板的程序即可使装置适用于不同功率等级的变频器，提高了系统的性价比。

　　主控板为一个以TMS320F2812（自带16个A/D通道，片内flash, RAM）为核心处理器的最简系统，如图4所示，其中模拟量调理电路部分设计有3路电压调理电路，即电动机三相电压信号uA 、uB 、uC ；6路电流调理电路，包括用来测量的电动机三相电流信号 iA、iB 、iC 以及用来对电动机保护的三相电流信号 ia、ib 、 ic。电压、电流调理电路均有冗余设计，并且各个电压调理电路以及电流调理电路的功能均可以通过软件重新定义，因此当某一路调理电路出现故障时，可以用冗余的调理电路来实现该电路的功能。当增加其他传感器时，也可以将冗余的调理电路或开关量接口定义为相对应的功能。数字量输入输出通道均通过光电耦合器隔离以防止干扰。

　　CGV系列变频器利用RS485接口，可完成在控制室的上位机与现场多台变频器间的通讯。另外模块设计有CAN总线接口（见图4），以便现场使用时与其他智能装置兼容。

图4 测控模块主控板结构图

 
　　2.2 系统检测单元模块软件设计

　　CGV系列变频器的系统检测模块软件流程如图5所示。检测模块主要任务是实现电动机电信号以及光电编码器脉冲信号的采集及处理,并把它们转换成相应的参量显示出来。其软件功能主要有：定时采样电动机三相交流电压、电流信号；定时采样光电编码器脉冲信号；完成参量的计算；完成与上位机数据通信以及模块本身的人机接口功能。

图5 测控模块软件流程图

 
　　系统设定程序可以完成模块参数的设定，包括电压、电流互感器的转换变比、下位机地址ID和通信波特率等。参量显示程序则通过相应的算法将采集的交流数据转换成相应参量,并输出到液晶显示器。为了提高处理器的资源利用率和系统实时处理能力,检测模块充分利用了TMS320F2812的中断资源来实现上述功能。此外，通过对参量计算程序模块进行相应的修改,同样型号的变频器系统还适用于其他类型负载。

　　2.3 其他

　　为了保证负载启动和运行过程中的安全性，还需要一些辅助的保护措施。对电动机保护主要有电流速断保护、过负荷保护、启动时间过长保护、堵转保护、负序过流保护和零序过流保护等，这些保护都可通过系统检测单元模块采集相关参量并按相应的保护算法和判据处理后实现，从而保证在非正常情况下电机的安全运行。

　　3 仿真与实验

　　3.1 仿真

　　CGV系列变频器的仿真电路采用三相三线制联接，A、B、C三相电压的峰值都为250V，频率为50Hz，采用RL串联作为每相负载，其中， Ω， H。图6中的(a)图为电源电压和负载都对称时测得的功率 ，其中是根据平均功率的定义测得的，  则根据本文中的算法测得。由于此时负序功率 为零，因此两条曲线重合。(b)图是在电源三相电压B相峰值降为200V时测得的，(c)图是在电

图6 功率仿真测量曲线图

　　源三相电压B相峰值升为300V，C相峰值降为200 V时测得的。两种情况的 都不为零，图中曲线1为 测得曲线，曲线2为 测得曲线。

4 结束语

　　(1) CGV系列变频器摒弃了利用经验公式计算负载启动特性曲线的方法，提出了一种利用电参量间接测量各类负载启动特性的检测方案，并在算法中考虑了变频器三相输出电压不对称对测量结果的影响，在变频器的启动、调速特性方面做了有益的探索和尝试。

　　(2) CGV系列变频器利用DSP优异的数据处理能力完成对各型负载启动特性的测量，不论是动态响应特性还是检测精度都较传统的检测装置有很大的提高。

　　(3) 仿真和实际的现场应用结果表明：该系统测量精度高，稳定性好，不受现场机械振动、污染等工艺噪音的影响，能较好地完成各型负载的启动特性曲线测量，并能根据检测的负载实际启动特性曲线对变频器的输出进行自动优化，从而有效改善变频启动和调速性能，具有较好的应用前景。

　　参考文献

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　　[8] 西安启功电气有限公司，CGV600系列高性能无速度传感器矢量控制变频器用户说明书.