CN100495903C - 交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流电动机从变频器电源驱动向工业电源驱动的平滑切换方法，其主要步骤是：先由变频器驱动交流电动机加速或减速，直至变频器电源的输出频率接近工业电源频率，接着检测变频器电源两相电压U_UV、工业电源两相电压U_RS和U_TS，根据U_UV-U_RS或U_UV-U_TS获得相位同步信号U_UP或U_DOWN，当相位同步信号的幅值达到最小时，判断为相位同步，进而封锁变频器电源的输出，即可将交流电动机由变频器电源驱动切换为工业电源驱动。该方法准确率高，操作简单易行，切换结果可控，能够有效避免切换过程中交流电动机可能产生的冲击电流，延长交流电动机的使用寿命。

Description

交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法

技术领域

本发明涉及交流电动机在两种驱动状态下的电源切换，尤其涉及交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法，属于交流电机变频控制技术领域。

背景技术

通用变频器采用变压变频技术(VVVF)，已经广泛应用于工业和民用领域当中。使用变频器进行交流电动机控制，可以保证交流电动机在调速过程中没有电压电流的强冲击，运行曲线近乎完美，而且可以按照工程需求实现交流电动机的各种速度下平稳运行。但是，在某些应用场合中，需要进行变频器电源与工业电源之间的快速切换，例如，在某些使用单一变频器驱动多个交流电动机场合、结合变频器调速优点和工业电源无需能耗制动优点的场合等。

从应用需求角度出发，希望变频器输出电源与工业电源之间的切换是一种平滑切换，即在切换过程中电源相位和电源频率这两个因素均能平滑过渡。现有技术中，由工业电源切换为变频器输出电源一般采用转速跟踪方法。由于变频器的输出是可以控制的，因此在切换过程中，变频器首先对电机的转速进行检测，以确定输出的频率；另外，待交流电动机内反电势基本消失以后，也不存在相位的差别，这样的切换过程可以保证交流电动机的速度近似平稳过渡，基本能够满足现场使用要求。

但是，在由变频器输出电源切换为工业电源的情况下，由于工业电源的频率和相位是无法调整的，所以只能采用适当延时、然后直接切换的方法。这种方法存在较大缺陷，这是因为交流电动机在运行过程中会产生交流反电势，同样也有频率和相位的变化，仅采用延时的方法进行电源切换，无法兼顾相位和频率两个方面的同步：延时长，电动机的转速下降多，将造成频率差；延时短，电动机的反电势无法消除，其相位与电源相位关系是随机的，如果两个相位恰好相反，将造成电动机的瞬间冲击。所以，目前使用的这种方法会造成切换效果不可控，严重时交流电动机瞬间冲击电流比正常使用大10几倍，长期操作会伤害电动机的绝缘，影响交流电动机的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提出一种交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法。

本发明的技术解决方案是：交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法，包括以下两个步骤：步骤一，变频器驱动交流电动机加速或减速，判断变频器电源的输出频率是否接近工业电源的频率，若达不到判断标准则继续调节变频器电源的频率，直至达到判断标准，维持变频器电源的频率不变；步骤二，接着判断变频电源与工业电源的相位是否同步，当两者相位同步时，封锁变频器电源的输出，再将交流电动机由变频器电源驱动切换为工业电源驱动。

本发明更进一步的技术解决方案是：上述步骤一当中的判断标准是，调节变频器电源的频率至50Hz±5Hz；步骤二当中判断两者相位是否同步的方法是，检测变频器电源U/V两相的电压U_UV，以及工业电源R/S、T/S之间的电压U_RS和U_TS，当交流电动机正转时，检测U_UV-U_RS电压差信号U_UP，当U_UP的幅值达到最小时，判断为相位同步；当交流电动机反转时，检测U_UV-U_TS电压差信号U_DOWN，当U_DOWN的幅值达到最小时，判断为相位同步。

这样，本发明利用两个电源的微小频率差，采样到交流电源的同步信号U_UP或U_DOWN，进而以这个同步信号为基础，实现从变频器电源到工业电源的平滑切换。该方法结合变频器控制软件的应用，充分利用变频器输出电源可以灵活调整输出相序与频率的优点，操作简单易行，准确率高，切换结果可控，能够有效避免切换过程中交流电动机可能产生的冲击电流。对于大功率交流电动机以及对切换操作有较高要求的场合，本发明能彻底解决切换冲击问题，延长交流电动机的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。其中，

图1：本发明切换过程原理框图；

图2：相位同步判断图；

图3：U_RS信号图；

图4：U_UV-U_RS信号图；

图5：同步信号图。

具体实施方式

三相交流电动机的旋转方向是由其供电的电源相序决定的。为了描述方便，假设工业电源的三相分别是R、S、T，变频器输出电源的三相分别是U、V、W，电动机的接线端子分别是1、2、3。如果电动机的电源使用工业电源，并且R、S、T分别接到端子1、2、3上，假设此时电动机的旋转方向为正方向，那么T、S、R分别接到端子1、2、3上时，电动机的旋转方向为反方向。而变频器的U、V、W相的输出相序是可以通过变频器软件来控制的，如果电动机正转，变频器的U、V、W输出正相序，而在电动机反转时变频器的输出相序反过来即可。因此，采用变频器控制交流电动机时，其接线方式可以始终保持为U、V、W分别接端子1、2、3。

根据上述描述可以看出，如果交流电动机的电源由变频器输出切换到工业电源时，除了相位、频率的同步之外，还需要保持相序一致。例如，在变频器驱动电动机正转到工业电源的频率(50Hz)后，进行电源切换时，需要保持U、V、W与R、S、T的相位同步；而在反方向运行时，需要保持U、V、W与T、S、R同步。

针对交流电动机在一些运行场合涉及变频器电源和工业电源两种驱动的应用背景，本发明设计出一种同步切换方案：在两种电源的输出频率近似相等时，通过硬件电路整理出两种电源的对应相位关系，识别出对应相位同步时再进行切换。其主要步骤如图1所示，包括：步骤一，变频器驱动交流电动机加速或减速，判断变频器电源的输出频率是否接近工业电源的频率，若达不到判断标准则继续调节变频器电源的频率，直至达到判断标准，维持变频器电源的频率不变；步骤二，接着判断变频电源与工业电源的相位是否同步，当两者相位同步时，封锁变频电源的输出，再将交流电动机由变频电源驱动切换为工业电源驱动。

由于工业电源采用50Hz标准频率，步骤一当中一般是将变频器电源的输出频率调到50Hz±5Hz范围内；要求较高的场合，还可以将该范围缩小至50Hz±2Hz。步骤二当中判断两者相位是否同步的过程如图2所示，先从相应的电源相位经过高阻隔离和电压整理步骤，获得变频器电源U/V两相的电压U_UV，以及工业电源R/S、T/S之间的电压U_RS和U_TS。当交流电动机正转时，对U_UV和U_RS进行比较，将U_UV-U_RS电压差的绝对值整理成同步信号U_UP；当交流电动机反转时，则对U_UV和U_TS进行比较，将U_UV-U_TS电压差的绝对值整理成同步信号U_DOWN。当U_UP或者U_DOWN的幅值达到最小时，判断为相位同步，原理如下：

以正转为例，U_RS信号是图3所示的交流信号，U_UV信号也与U_RS相似，在准备切换的时候U_RS频率为50Hz，U_UV频率接近50Hz(例如48Hz)，因此U_UV-U_RS也是交流信号。通常情况下，由于U_UV、U_RS相位关系的不确定，所以U_UV-U_RS的幅值也是变化的，见图4。当U_UV、U_RS相位同步，说明U、V相与R、S相的信号对应同步，此时U_UV-U_RS的幅值最小；如果U_UV、U_RS相位不同步，则U_UV-U_RS的幅值变大，当两者相位刚好相反时，U_UV-U_RS的幅值最大。

利用上述原理，在电源切换过程中根据U_UV-U_RS幅值的大小，就可以判断出两个电源是否同步。为了便于实现软件对U_UV-U_RS信号采样，可以对该信号进行整理，整理出来的同步信号U_UP如图5所示。该信号处于电压最低点时，说明变频器电源与工业电源相位同步。因此，当需要进行电源切换操作时，先调节变频器电源输出频率，使其接近工业电源频率50Hz，然后开始对U_UP采样，当U_UP取最低值时，判断两电源相位同步，立刻进行电源切换便可保证发动机转速平滑过渡，避免发生切换冲击。

本发明的一项典型应用是扶梯。在扶梯运行过程中，为了充分利用变频器驱动电机和工业电源驱动电机两者的优点，可以使用旁路变频的控制方法，即在扶梯加减速以及无人待机过程中，采用变频器驱动交流电动机，具有节电、磨损小、无机械冲击等优点，但是扶梯在稳态运行时，适宜采用工业电源驱动交流电动机，频率固定运行在50Hz。这样，变频器电源与工业电源之间的切换显得非常重要，从工业电源向变频器电源切换可以采用现有技术当中的“转速跟踪方法”，而从变频器电源向工业电源切换则可采用本发明技术方案。此时，可以在变频器旁边增加一只“同步切换卡”，该卡能够采集到两个电源的相位同步信号，指示比较准确的同步切换时间。

上述应用场合当中，由于扶梯存在上行和下行两个方向，对应电动机正转和反转状态，因此在对扶梯进行电源切换时，需要根据方向选择不同的同步信号U_UP或U_DOWN，以保证U、V相分别与R、S相的相位相同，或者分别与T、S相的相位相同。试用结果表明，采用本发明技术方案，扶梯在进行电源切换时运行平稳，无冲击，具有良好的乘坐舒适感。

当然，上述具体实施方式仅为本发明的优选例，本发明的权利要求保护范围并不受其限制。凡采用等同替换或者等效变换所形成的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法，包括以下两个步骤：

步骤一，变频器驱动交流电动机加速或减速，判断变频器电源的输出频率是否接近工业电源的频率，若达不到判断标准则继续调节变频器电源的频率，直至达到判断标准，维持变频器电源的频率不变，

步骤二，接着判断变频器电源与工业电源的相位是否同步，当两者相位同步时，封锁变频器电源的输出，再将交流电动机由变频器电源驱动切换为工业电源驱动；

其中，步骤一所述的判断标准是，调节变频器电源的频率至工业电源频率±5Hz，

步骤二当中判断两者相位是否同步的方法是，检测变频器电源U/V两相的电压U_UV，以及工业电源R/S、T/S之间的电压U_RS和U_TS，当交流电动机正转时，检测U_UV-U_RS电压差信号U_UP，当U_UP的幅值达到最小时，判断为相位同步；当交流电动机反转时，检测U_UV-U_TS电压差信号U_DOWN，当U_DOWN的幅值达到最小时，判断为相位同步。

2.根据权利要求1所述的交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法，其特征在于：所述的U_UV、U_RS和U_TS电压信号，是从相应的电源相位经过高阻隔离和电压整理步骤而获得。

3.根据权利要求1所述的交流电动机从变频器电源向工业电源的平滑切换方法，其特征在于：所述的U_UP、U_DOWN信号，分别是对U_UV-U_RS、U_UV-U_TS电压差的绝对值进行信号整理而获得。

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