1． 引言 　　大功率高壓變頻器廣泛地應(yīng)用于石油化工、電力、冶金、城市建設(shè)等行業(yè)的各種風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備，在降耗節(jié)能、改善工藝等方面起著重要的作用。但隨著系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，簡(jiǎn)單的無速度傳感器VVVF控制大功率高壓變頻器也存在許多需完善的功能，電機(jī)轉(zhuǎn)子處在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的變頻器啟動(dòng)即所謂“飛車啟動(dòng)”就是比較重要的功能。 　　在大型的拖動(dòng)系統(tǒng)中，特別是在風(fēng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，其轉(zhuǎn)子及所帶設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都很大，從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)的自由停車時(shí)間從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)。如果因電網(wǎng)原因或誤操作或隨機(jī)的干擾使變頻器掉電又重新上電，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子還處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時(shí)若變頻器只能在轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行啟動(dòng)，則在很多場(chǎng)合如石油化工過程、發(fā)電廠鍋爐等生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格的工作環(huán)境，變頻器帶動(dòng)的電機(jī)不能及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行，將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)停產(chǎn)或機(jī)組解列，對(duì)于一個(gè)大型的系統(tǒng)來說，意外的系統(tǒng)停機(jī)將會(huì)使用戶遭受不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。 　　另外，在高壓變頻器“一拖多”的泵類應(yīng)用場(chǎng)合，即一套高壓變頻器“軟起動(dòng)”一臺(tái)泵到50HZ后將其轉(zhuǎn)到工頻，再按同樣方式“軟起動(dòng)”另一臺(tái)，僅最后一臺(tái)泵用高壓變頻器調(diào)速運(yùn)行調(diào)節(jié)供水量。當(dāng)調(diào)速泵退出時(shí)出水量還多于需求量還要下調(diào)時(shí)，就要把某臺(tái)工頻的泵轉(zhuǎn)入變頻器調(diào)速，這種場(chǎng)合要求變頻器具有“變頻-工頻-變頻投切”功能，而從工頻到變頻的投切同樣要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動(dòng)”特性。 　　還有些不允許變頻器驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)設(shè)備停機(jī)的場(chǎng)合,變頻器出現(xiàn)故障或需要維護(hù)時(shí), 要求把運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)切換到工頻運(yùn)行狀態(tài),保證生產(chǎn)設(shè)備不停機(jī); 當(dāng)變頻器維護(hù)完畢允許重新投入運(yùn)行時(shí), 再投入變頻運(yùn)行狀態(tài),以滿足重要過程控制場(chǎng)合的實(shí)際需求，這也要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動(dòng)”特性。 　　因此，大功率高壓變頻器具有“飛車啟動(dòng)”的功能，在滿足用戶需求方面是必不可少的重要條件。否則，將會(huì)限制其在大型工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。 2． 多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ●主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介： 　　多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的，對(duì)于每相六個(gè)單元的高壓變頻器主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先由移相變壓器將三相三繞組的高壓降為三相多繞組的低壓，為降低對(duì)電網(wǎng)的諧波影響，經(jīng)延邊三角形移相處理，使低壓側(cè)每相的六個(gè)繞組電壓相位互差10度。 　　功率單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)單元輸入側(cè)為6脈波的三相全波二極管整流橋，每相六個(gè)單元輸入電壓互差10度，呈現(xiàn)給電網(wǎng)側(cè)的相當(dāng)于36脈波的整流器。 　　每一個(gè)單元為低壓變頻器，由整流橋，儲(chǔ)能電容，H橋輸出逆變器組成，由于輸入側(cè)為二極管整流，功率流只能是從整流側(cè)輸入從H橋逆變器輸出，如果從H橋向功率單元有功率流入的話，只能使儲(chǔ)能電容電壓不斷升高而損壞。故此，應(yīng)防止變頻器所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)向變頻器回饋能量。 　　變頻器運(yùn)行時(shí)，三相交流電源通過功率單元內(nèi)整流二極管橋進(jìn)行整流，電容陣列對(duì)脈動(dòng)直流進(jìn)行濾波，變?yōu)楹愣ǖ闹绷?。電容陣列同時(shí)作為PWM輸出的能量中繼池，提供給輸出回路穩(wěn)定的電壓。 　　每相六個(gè)功率單元的H橋逆變器，其PWM輸出控制信號(hào)由公共的正弦波和6個(gè)三角載波比較生成，6個(gè)三角載波按其自身周期的1/6互相錯(cuò)開，使6個(gè)單元相互串聯(lián)疊加后輸出電壓為13階梯波，如圖3所示。其中UA1 … UA6分別為A相6個(gè)功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖中顯示出了生成PWM控制信號(hào)時(shí)所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。 　　對(duì)6KV變頻器，功率單元的輸入電壓為三相600V，當(dāng)變頻器輸出頻率為50HZ時(shí)，功率單元輸出為單相577V，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓3464V。 　　由于變頻器中點(diǎn)與電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不連接，變頻器輸出實(shí)際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產(chǎn)生的UAB輸出線電壓可達(dá)6000V，為25階梯波。圖4所示為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，諧波成分及dV/dt均較小。 3． 高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”方法 　　高壓變頻器“飛車啟動(dòng)” 是在電機(jī)定子與變頻器或工頻電網(wǎng)都脫離時(shí)，電機(jī)定子“無源”,電機(jī)轉(zhuǎn)子處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，但轉(zhuǎn)速隨機(jī)不確知情況下，將高壓變頻器接入電機(jī)定子，使電機(jī)定子從“無源”到 “有源”，電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從無到有，最后電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入正常驅(qū)動(dòng)的過程。 　　由電機(jī)原理知，當(dāng)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相差較大即轉(zhuǎn)差較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電流而電磁轉(zhuǎn)矩卻不大，例如電機(jī)在工頻下全壓直接起動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子電流會(huì)達(dá)到額定值的5～7倍。而高壓變頻器容量一般不可能按電機(jī)電流額定值的5～7倍選配。如果高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”時(shí)輸出頻率較高（50HZ），而電機(jī)轉(zhuǎn)子速度很慢時(shí)就與此類似必過流跳閘。反之如果高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”時(shí)輸出頻率較低，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度低于電機(jī)轉(zhuǎn)子速度，此時(shí)電機(jī)為發(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，使變頻器因電容電壓泵升過壓而跳閘。 　　因此，高壓變頻器“飛車啟動(dòng)”是否成功關(guān)鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度（頻率）相同的頻率。而電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率是隨機(jī)的，為此必須進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率的搜索，即“飛車啟動(dòng)”開始先搜索電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率，搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率后，變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子頻率作為輸出頻率。這樣，既不會(huì)出現(xiàn)過流也不會(huì)出現(xiàn)電容電壓泵升過壓的現(xiàn)象。 　　對(duì)無速度傳感器的V/F控制方式，西門子變頻器使用手冊(cè)提到轉(zhuǎn)子頻率的搜索有兩種方法： 　　一種可稱之為“定子輸入恒定額定電流的V/F曲線電壓比較法” ，搜索時(shí)始終保持定子為恒定額定電流，比較變頻器輸出電壓與V/F曲線上的電壓值，二者相等時(shí)意味此時(shí)的輸出頻率就是轉(zhuǎn)子頻率。 　　另一種可稱之為“直流母線最小電流法”即定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相同時(shí)變頻器直流母線電流最小，借檢測(cè)直流母線電流間接檢測(cè)轉(zhuǎn)子頻率。 　　前一種理論上可行，但實(shí)際上V/F曲線與定子額定電流的關(guān)系物理概念不明確，低頻時(shí)又加入作為電壓補(bǔ)償?shù)奶嵘妷?，使得借V/F曲線比較電壓的精度難保證，另外，恒定額定電流控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題也直接影響電壓比較和頻率的搜索精度。 　　后一種物理概念明確但不可照搬，在我們的高壓變頻器功率單元中，無直流母線電流檢測(cè)，因此不能采用檢測(cè)直流母線電流間接檢測(cè)轉(zhuǎn)子頻率的方案。但可以把電機(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)子速度即為同步轉(zhuǎn)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流分量理論上應(yīng)等于零，但實(shí)際中在電機(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)變化步長(zhǎng)也不可能無窮小，有可能前一步高于轉(zhuǎn)子頻率后一步又低于轉(zhuǎn)子頻率，所以應(yīng)按轉(zhuǎn)矩電流分量“接近于零”搜索。即按轉(zhuǎn)矩電流分量最小來“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)轉(zhuǎn)子速度時(shí)，電機(jī)為發(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，故搜索過程必須從高于電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率起，考慮所有可能性取最高50HZ起。故頻率搜索由高到低單調(diào)下降。 　　搜索過程從高于電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率（50HZ）起，如果直接按V/F曲線將輸出“滿度”電壓，類似“全壓直接啟動(dòng)”，電流與轉(zhuǎn)矩沖擊極大。因此電壓取“滿度”電壓的5%～20%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。 　　搜索過程雖然按“滿度”電壓的5%～20%輸出，也有可能因設(shè)置的弱化電壓系數(shù)不合適產(chǎn)生過電流，為此搜索過程還要有電流限幅，對(duì)電壓輸出構(gòu)成負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)抑制過電流。 　　考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子自由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向可能與正常運(yùn)行方向相反的情況，變頻器還要有雙向搜索功能，當(dāng)按正常運(yùn)行方向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0再正向加速到給定頻率。